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Um dos componentes básicos em qualquer impressora 3D FFF são os motores. São responsáveis por fazer os movimentos necessários para posicionar a cabeça de impressão, bem como por puxar o filamento no extrusor.
Os motores utilizados são motores passo a passo, sendo os tipos mais comuns o NEMA 17 e o NEMA 23.
Os motores passo-a-passo de boa qualidade têm uma fiabilidade muito elevada, pelo que a principal causa de falha do motor é geralmente externa, normalmente relacionada com o condutor de energia ou a ligação.
Os motores passo-a-passo são um tipo de motor de rotação contínua. A rotação ocorre em saltos discretos de um determinado ângulo. É um motor a meio caminho entre um motor CC standard e um servo motor. Tal como os motores CC, eles permitem múltiplas voltas de 360 °, ao mesmo tempo que permitem um posicionamento angular preciso, como os servomotores.
Os mais utilizados nas impressoras 3D são motores passo a passo híbridos bipolares, geralmente no formato NEMA17 ou NEMA23. Os motores híbridos combinam a pequena capacidade de passo dos motores VR com a elevada capacidade de inércia dos motores de ímanes permanentes. Por outro lado, os motores bipolares fornecem maior torque e ancoragem do que os motores unipolares, ao mesmo tempo que são mais leves em peso e mais pequenos em tamanho, contudo requerem controladores de potência específicos.
Ao seleccionar um motor passo-a-passo, devemos conhecer as suas características principais:
Se estivermos à procura de um motor que nos permita utilizar velocidades elevadas e suportar inércias elevadas durante o movimento, por exemplo no caso de eixos XY, devemos escolher um motor com passos de 1,8 º e torque elevado.
O motor do eixo Z não exigirá velocidades de trabalho elevadas, pelo que um motor de 0,9 º proporcionará movimentos mais suaves. Neste caso, deve ser escolhido um motor com o máximo torque de retenção e ancoragem para suportar o peso da plataforma ou do pórtico (dependendo do desenho da impressora).
Ao ligar correctamente os motores passo-a-passo, é útil ter disponível a folha de especificações do fabricante, pois a posição dos fios varia de um modelo para outro.
Tipicamente, um motor passo-a-passo bipolar terá 4 ligações que consistem em dois circuitos de alimentação de energia independentes. Cada circuito consiste de um pólo positivo e um pólo negativo que fornece energia a cada uma das bobinas do motor.
A primeira coisa a saber é a posição destas quatro ligações na nossa placa de controlo da impressora. Podemos encontrar dois tipos de nomenclatura nos quadros de controlo. O primeiro é 1A 1B 2A 2B, onde cada número representa um circuito e as letras A e B representam os pólos. A segunda é A A- B B- onde cada letra representa um circuito e o acento representa o pólo negativo.
Uma vez determinadas as ligações no quadro, o mesmo deve ser feito para os motores.
Se estiver disponível uma folha de especificações, a ordem dos fios no conector deve ser consultada. Neste caso, a nomenclatura A A- B B- é a mais comum.
No caso da placa e do motor utilizarem a mesma nomenclatura, a ligação é tão simples como emparelhar cada terminal. Se utilizarem nomenclatura diferente, devem ser emparelhadas da seguinte forma:
Se não estiver disponível nenhuma ficha de dados do motor, o par de ligação de cada bobina deve ser determinado. Isto é feito através da medição da resistência em todas as combinações possíveis de pares de pinos de conectores. Quando a resistência não é infinita, o primeiro par foi localizado. As combinações mais comuns utilizadas pelos fabricantes de motores são 1-3 4-6 ou 1-4 3-6, por isso comece por testar estas duas combinações.
Uma vez localizada, cada fase é ligada a cada uma das bobinas. É importante que as duas fases estejam ligadas às bobinas na mesma polaridade, por isso, se as tivermos colocado em fase invertida, ao enviar corrente para o motor não se moverá e emitirá um ruído. Neste caso, a polaridade de uma das bobinas deve ser invertida.
É muito importante manter ambas as fases separadas, pelo que o estado dos conectores deve ser verificado com frequência. Um mau contacto ou uma ponte entre fases fará com que o motor pare de funcionar.
Os motores passo-a-passo são alimentados através de controladores ou condutores específicos. Existem muitos modelos diferentes no mercado. Os de maior qualidade geralmente proporcionarão uma maior durabilidade e um funcionamento mais silencioso.
Dentro dos modelos disponíveis, existem dois métodos para ajustar a corrente enviada para os motores:
Vref = Imax · 8 · Rs
Onde Imax é a corrente máxima a que o motor será alimentado (geralmente no máximo 90 % do máximo especificado pelo fabricante) e Rs é a resistência de detecção do condutor.
Para o ajustar no driver, basta ligar o condutor, medir a tensão entre o pin Vref (geralmente o próprio potenciómetro) e um pin de terra (geralmente o pin de alimentação) e definir o valor adequado utilizando o potenciómetro.
Ao seleccionar a corrente de saída dos drivers, não é aconselhável utilizar o valor máximo determinado pelo fabricante. A fim de prolongar a vida útil dos motores, não exceder 90 % do valor máximo do fabricante, sendo a corrente óptima a corrente mínima necessária para gerar um binário suficiente para suportar as inércias.Corrente mais elevada, para além de maior par, significa também maior aquecimento, maior ruído motor e maior desgaste.
Os motores passo a passo avançam por impulsos, pelo que a velocidade máxima do motor dependerá da frequência máxima de sinal que a placa de controlo for capaz de enviar. Além disso, deve ser tido em conta que normalmente vários motores estão a funcionar simultaneamente, pelo que a frequência para cada um deles irá diminuir.
Por exemplo, se a placa de controlo funcionar a 100000 Hz e 4 motores (X,Y,Z e extrusor) estiverem a funcionar simultaneamente, cada motor será controlado a 25000 Hz, ou 25000 impulsos por segundo. Isto significa que um motor de 1,9 ° sem microstepping será capaz de rodar a um máximo de 125 rps. Num sistema de accionamento por correia dentada GT2 8 (o mais comum), isto traduz-se numa velocidade linear máxima teórica de 3600 mm/s.
No caso de microstepping, a velocidade máxima seria reduzida proporcionalmente, portanto, se forem utilizados 16 microsteps, a velocidade máxima seria de 225 mm/s, mas se forem utilizados 256 microsteps, a velocidade máxima seria reduzida para apenas 14 mm/s.
É muito importante conhecer a frequência de funcionamento da placa de controlo, uma vez que a combinação de uma frequência de saída baixa com uma configuração de microstep elevada pode fazer com que a velocidade máxima admissível seja inferior à velocidade de impressão, resultando numa perda significativa de passos.
Quando o sinal de movimento é transmitido ao motor, é enviado como uma rotação, contudo os movimentos incluídos nos ficheiros de impressão são lineares. É por isso que a impressora deve ser capaz de traduzir o movimento angular para um movimento linear.
O movimento é geralmente transmitido por meio de roldanas dentadas e correias, em que a conversão passo/mm depende do diâmetro das roldanas. Para o seu cálculo, a seguinte fórmula deve ser simplesmente aplicada:
passos/mm = (360/P) · MS 2 · π · Rroldana
Onde P é o passo do motor, MS os micros passos configurados (1 se não for utilizado Microstepping) e Rroldana o raio da roldana utilizada.
No caso de movimentos transmitidos por parafuso, é o passo do parafuso que define a taxa de alimentação. Para tal, a seguinte fórmula é simplesmente aplicada:
passos/mm = (360/P) · MS A
Onde P é o passo do motor, MS os microsteps configurados (1 no caso de não utilizar o microstepping) e A o passo da rosca do parafuso. Existem também muitas calculadoras que facilitam a obtenção destes valores, tais como a oferecida pela Prusa Printers.
Uma vez obtidos estes valores, e embora em teoria estejam correctos, é aconselhável efectuar uma calibração precisa para compensar possíveis defeitos de fabrico ou de montagem.
Para este efeito, deve ser impresso um cubo de dimensões conhecidas (por exemplo 50 x 50 x 50 mm) e as dimensões reais devem ser medidas. Uma vez feito isto, deve ser aplicada a seguinte fórmula:
passos/mm = Dteórica · Pactual Dreal
onde Dteórica é o tamanho teórico que a peça deve ter, Pactual é a definição P/mm actual e Dreal é o valor de medição obtido a partir da peça impressa.Ao introduzir o novo valor Passos/mm, deverá obter peças com dimensões adequadas.
Este guia discute conceitos de uma forma geral e não se concentra numa determinada marca ou modelo, embora possam ser mencionados em algum momento. Pode haver diferenças importantes nos procedimentos de calibração ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, pelo que se recomenda que o manual do fabricante seja consultado antes da leitura deste guia.
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