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Uno dei componenti fondamentali in qualsiasi stampante 3D FFF sono i motori. Sono responsabili dell'esecuzione dei movimenti necessari per posizionare la testina di stampa e per alimentare il filamento nell'estrusore.
I motori utilizzati sono di tipo passo-passo, tra i quali i tipi più comuni sono il NEMA 17 e il NEMA 23.
I motori passo-passo di buona qualità presentano un'affidabilità molto elevata, quindi la causa principale del guasto di un motore di solito è esterna, generalmente legata all'unità di potenza o alla connessione.
I motori passo-passo sono un tipo di motore a rotazione continua. La rotazione avviene a salti discreti di un angolo determinato. Si tratta di un motore a metà strada tra un normale motore DC e un servomotore. Come i motori DC, consentono più rotazioni di 360° e, allo stesso tempo, permettono un posizionamento angolare preciso, come i servomotori.
I più utilizzati nelle stampanti 3D sono i motori passo-passo ibridi bipolari, generalmente nel formato NEMA17 o NEMA23. I motori ibridi combinano la capacità di produrre piccoli passi dei motori VR con la capacità di sopportare grandi inerzie dei motori a magnete permanente. D'altra parte, i motori bipolari offrono una maggiore coppia e ancoraggio rispetto a quelli unipolari, nonché un peso e una dimensione ridotti. Tuttavia, richiedono driver di potenza specifici.
Nel momento di selezionare un motore passo-passo, è importante conoscere le sue principali caratteristiche:
Se cerchiamo un motore che ci consenta di raggiungere alte velocità e sopportare grandi inerzie durante il movimento, ad esempio nel caso degli assi XY, dovremmo scegliere un motore con passi da 1.8° e con una coppia di rotazione elevata.
Il motore dell'asse Z non richiederà grandi velocità di lavoro, quindi un motore da 0.9° fornirà movimenti più fluidi. In questo caso si dovrebbe optare per un motore con la massima coppia di trattenimento e di ancoraggio per sostenere il peso della piattaforma o del portale (a seconda del design della stampante).
Quando si collegano correttamente i motori passo-passo, è utile avere il foglio di specifiche del produttore, poiché la posizione dei cavi varia da un modello all'altro.
In genere, un motore passo-passo bipolare avrà 4 connessioni composte da due circuiti di alimentazione separati. Ciascun circuito è costituito da un polo positivo e uno negativo che alimentano ciascuna delle bobine del motore.
La prima cosa da fare è conoscere la posizione di queste quattro connessioni sulla scheda di controllo della stampante. Possiamo trovare due tipi di nomenclatura sulle schede di controllo. La prima è 1A 1B 2A 2B, dove ogni numero rappresenta un circuito e le lettere A e B i poli. La seconda è A A- B B-, dove ogni lettera rappresenta un circuito e l'accento il polo negativo.
Una volta determinate le connessioni sulla scheda, bisogna fare lo stesso con i motori.
Se si dispone del foglio di specifiche, è necessario consultare l'ordine dei cavi nel connettore. In questo caso, è più comune trovare la nomenclatura A A- B B-.
Nel caso in cui la scheda e il motore utilizzino la stessa nomenclatura, il collegamento è semplice: basta abbinare ciascun terminale. Nel caso in cui utilizzino una nomenclatura diversa, è necessario abbinarli nel seguente modo:
Se non si dispone del foglio dati del motore, bisogna determinare quale coppia di connessioni corrisponde a ciascuna bobina. Per farlo, si deve misurare la resistenza in tutte le possibili combinazioni di coppie di pin del connettore. Quando la resistenza non è infinita, si è individuata la prima coppia. Le combinazioni più utilizzate dai produttori di motori sono 1-3 4-6 o 1-4 3-6, quindi si dovrebbe iniziare provando queste due combinazioni.
Una volta individuate, si collegherà ciascuna fase a ciascuna bobina. È importante che le due fasi siano collegate alle bobine nella stessa polarità, quindi se le abbiamo collocate in fase invertita, quando inviamo corrente al motore non si muoverà e emetterà un rumore. In questo caso è necessario invertire la polarità di una delle bobine.
È molto importante mantenere le due fasi separate, quindi è necessario controllare frequentemente lo stato dei connettori. Un contatto difettoso o un ponte tra le fasi farà sì che il motore smetta di funzionare.
I motori passo-passo vengono alimentati attraverso driver specifici. Sul mercato ci sono molti modelli disponibili. Quelli di migliore qualità di solito offrono una maggiore durata e un funzionamento più silenzioso.
Tra i modelli disponibili, ci sono due metodi per regolare la corrente inviata ai motori:
Vref = Imax · 8 · Rs
Dove Imax è la corrente massima a cui alimentiamo il motore (di solito al massimo il 90% del valore massimo specificato dal produttore) e Rs è la resistenza di rilevamento del driver.
Per regolare il driver, è sufficiente alimentarlo, misurare la tensione tra il pin Vref (generalmente il potenziometro stesso) e un pin di terra (generalmente il pin dell'alimentazione) e regolare il valore adeguato tramite il potenziometro.
Quando si seleziona la corrente di uscita dei driver, non è consigliabile utilizzare il valore massimo determinato dal produttore. Per prolungare la vita utile dei motori, la corrente non dovrebbe superare il 90% del valore massimo indicato dal produttore, e la corrente ottimale è la minima necessaria per generare una coppia sufficiente a sopportare le inerzie. Una corrente maggiore, oltre a una maggiore coppia, comporta anche un maggiore riscaldamento, un rumore del motore maggiore e un maggiore usura.
I motori passo-passo avanzano mediante impulsi, quindi la velocità massima del motore dipende dalla massima frequenza del segnale che la scheda di controllo è in grado di inviare. Inoltre, è necessario considerare che di solito più motori lavorano contemporaneamente, quindi la frequenza per ciascuno diminuirà.
Ad esempio, se la scheda di controllo lavora a 100000 Hz e contemporaneamente vengono utilizzati 4 motori (X, Y, Z ed estrusore), ogni motore sarà controllato a 25000 Hz, ovvero 25000 impulsi al secondo. Ciò implica che un motore da 1,9 ° senza microstepping può ruotare al massimo a 125 rotazioni al secondo (rps). In un sistema di trasmissione a cinghia GT2 di 8 denti (il più comune), questo si traduce in una velocità massima lineare teorica di 3600 mm/s.
Nel caso si utilizzi il microstepping, la velocità massima sarà ridotta proporzionalmente. Ad esempio, se vengono utilizzati 16 micropassi, la velocità massima sarà di 225 mm/s, ma se vengono utilizzati 256 micropassi, si ridurrà a soli 14 mm/s.
È molto importante conoscere la frequenza di lavoro della scheda di controllo, poiché la combinazione di una frequenza di uscita bassa con una configurazione elevata di micropassi può fare sì che la velocità massima ammissibile sia inferiore alla velocità di stampa, con conseguente perdita significativa di passi.
Quando il segnale di movimento viene inviato al motore, questo viene inviato come una rotazione, ma i movimenti inclusi nei file di stampa sono lineari. Ecco perché la stampante deve essere in grado di tradurre il movimento angolare in uno lineare.
Il movimento viene generalmente trasmesso mediante pulegge dentate e cinghie, quindi la conversione dei passi per mm dipende dal diametro delle pulegge. Per calcolarlo, basta applicare la seguente formula:
passi/mm = (360/P) · MS 2 · π · Rpuleggia
Dove P è il passo del motore, MS sono i micropassi configurati (1 nel caso in cui non venga utilizzato il microstepping) e Rpuleggia è il raggio della puleggia utilizzata.
Nel caso dei movimenti trasmessi da una vite, sarà il passo della vite a definire l'avanzamento. A tal fine, basta applicare la seguente formula:
passi/mm = (360/P) · MS A
Dove P è il passo del motore, MS sono i micropassi configurati (1 nel caso in cui non venga utilizzato il microstepping) e A è il passo della filettatura della vite.
Esistono anche molteplici calcolatrici che facilitano l'ottenimento di questi valori, come quella offerta da Prusa Printers.
Una volta ottenuti questi valori, ed anche se in teoria sono corretti, è consigliabile effettuare una calibrazione precisa per compensare eventuali difetti di fabbricazione o assemblaggio.
A tal fine, è necessario stampare un cubo dalle dimensioni note (ad esempio 50 x 50 x 50 mm) e misurare le dimensioni effettive. Successivamente, applicare la seguente formula:
passi/mm = Dteorica · Peffettiva Dreale
Dove Dteorica è la misura teorica che dovrebbe avere il pezzo, Peffettiva è la configurazione attuale dei passi per mm e Dreale è il valore di misura ottenuto dal pezzo stampato. Inserendo il nuovo valore di passi per mm, si dovrebbero ottenere pezzi con dimensioni adeguate.
In questa guida i concetti sono trattati in modo generale e senza focalizzarsi su un marchio o modello specifico, anche se potrebbero essere menzionati in alcuni momenti. Possono esserci differenze significative nei procedimenti di calibrazione o regolazione tra marchi e modelli diversi, pertanto si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.
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