Después de unos meses de imprimir con mi Prusa Mk3 (con planes de obtener una segunda pronto), me he estado preguntando si hacer que mi tercera impresora sea de fabricación casera era una cama de impresión más grande que la Mk3. Una cosa sobre la que me preguntaba se expresa perfectamente en la pregunta del título.
¿Existen razones prácticas para no utilizar un motor paso a paso con tornillo de avance para los ejes X e Y?
Ciertamente estoy contento con las correas GT2 utilizadas en mi impresora actual, pero me pregunto si el diseño podría ser más simple con tornillos de avance en los tres ejes.
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Mikel F
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Respuestas:
Voy a responder esto como alguien que realmente rehizo su clon Prusa i3 fleabay para usar tornillos de plomo para todos los ejes. Antes de profundizar en el asunto, el problema de la reacción puede resolverse fácilmente con tuercas de latón con resorte, como el funcionamiento de los tornillos de bola. Sin embargo, ese es el problema más simple de resolver, ya que hay muchos otros problemas.
Versión corta / tl; dr
El hardware no puede manejar tantos microsteps.
La diafonía y la inductancia del motor limitan las velocidades y la aceleración.
La calidad de impresión sufre de maneras realmente extrañas debido a (2).
Los tornillos prisioneros no están hechos para un movimiento rápido durante largos períodos de tiempo y se desgastarán, incluso con grasa.
Necesitará superficies de apoyo adicionales para evitar que sus motores se desbasten y eliminar el contragolpe debido a los acoplamientos flexibles.
El sistema se vuelve mucho más propenso a los modos de falla altamente destructivos.
Explicaciones largas
primero
Notarás que estás limitado a movimientos de velocidad y aceleración horriblemente lentos. Mis tornillos son tornillos de 8 mm, con paso de 8 mm. Eso significa que se necesitan 200 pasos para recorrer 8 mm. Multiplique por 1/16 microstepping, y eso es 3200 microsteps por 8 milímetros de recorrido. Multiplique por la velocidad a la que esté tratando de imprimir, luego el número de ejes que está utilizando, y encontrará que su tablero RAMPS comienza a tartamudear en movimientos complejos si imprime lo suficientemente rápido.
Segundo
Llegará rápidamente a los límites de inductancia de sus motores. A niveles de potencia "estándar" (que no fríen mis motores NEMA17), incluso después de cambiar a 24 V durante toda la configuración, lo más rápido que pude girar mis motores fue de aproximadamente 5 revoluciones por segundo, lo que se traduce en 16,000 microsteps por segundo con tornillos de paso de 8 mm. Como referencia, eso significa que bajo una carga CERO, lo más rápido que podría viajar mi paso N17 w / 8 mm, es de aproximadamente 40 mm / s.
Básicamente, está ejecutando las bobinas del motor a varios kilohercios, lo que significa que debe tener mucho cuidado al mantener sus cables separados y protegidos para evitar la diafonía, además del hecho de que a medida que aumenta la frecuencia de sus pasos, su par de pasos disminuye drásticamente . Esto no solo limita el peso de la cama que el motor es capaz de empujar a una velocidad determinada, sino que incluso tiene que preocuparse por la inercia del motor y la cama mucho más que con un sistema accionado por correa. Entonces, en lugar de una sacudida de 30 mm / s con una aceleración de 200 mm / s 2 , de repente estás limitado a, digamos, una sacudida de 5 mm / sy una aceleración de 40 mm / s 2 .
Como se mencionó, para obtener los mejores resultados, todo el sistema debe convertirse a 24 V, y no todas las tarjetas están configuradas para que esto se haga fácilmente. Mi clon RAMPS barato solo necesitaba quitar un diodo y todo lo demás estaba bien, pero YMMV a este respecto.
Usted podría resolver este problema particular orientando los motores abajo, pero en ese punto ahora que ha introducido una nueva fuente de contragolpe ya sea entre los dientes del engranaje o en el sistema de transmisión por correa, y un poco derrotado al punto.
Tercero
Debido a este efecto, es que te encuentras con artefactos de presión de extrusión. Básicamente, el plástico en la boquilla es un fluido, muy viscoso, forzado a través de un pequeño orificio. La presión del fluido "se retrasará" algo por detrás de lo que el motor de la extrusora cree que está sucediendo.
El resultado final es que mientras está acelerando, las líneas que está colocando son más delgadas de lo que deberían ser, y serán más gruesas de lo que deberían ser mientras se desacelera, y tiende a obtener "globos" extraños en cada esquina cuando llega. a una parada Para mí, con una boquilla de 0.4 mm, un ancho de línea de 0.8 mm y una altura de capa de 0.2 mm, estos artefactos en realidad compensan por completo la precisión adicional que estaba obteniendo con un tornillo prisionero firmemente acoplado con tuercas dobles cargadas por resorte. Las partes terminaron siendo aún menos precisas dimensionalmente que antes, con deformaciones muy extrañas.
Hay configuraciones que puede usar en el firmware para tratar de combatir este efecto específico, pero el proceso es tedioso y requiere mucha prueba y error, y recompilar el firmware cada 30 segundos es molesto, sin mencionar que las variables dependen en la configuración de ancho de línea, velocidad y aceleración y altura de capa, por lo que debe volver a compilar su firmware cada vez que desee cambiar la calidad de impresión. Súper, súper molesto.
Cuarto
Los tornillos prisioneros en realidad no están diseñados para esto. El movimiento constante de ida y vuelta desgastará las tuercas de latón e incluso las roscas de acero de los tornillos con el tiempo. Terminas con un residuo negro en polvo en todo debajo del tornillo, que, en el eje X, generalmente también significa tu impresión. Nadie quiere polvo de acero que estropee la adhesión de sus capas.
En mi caso, utilicé Superlube, que es una grasa de silicona / PTFE, para ayudar a prevenir este problema, pero eso solo funciona muy bien cuando tienes tuercas de latón con resorte. Finalmente, expulsan la mayor parte del lubricante. Además, el lubricante tiende a agarrar y retener cualquier polvo metálico que se forme, acelerando el desgaste en áreas que todavía están lubricadas.
Quinto
Aspectos. Resulta que los motores tienen cojinetes internos, que generalmente succionan y no están hechos para cargas pesadas en ninguna dirección. Lo descubrí cuando mi motor N17 del eje Y falló porque el rodamiento lo hizo y esparció polvo por todas las bobinas, algunas de las cuales fueron empujadas a través del esmalte y cortaron los cables.
Además, debido a que pequeñas cantidades de desalineación convierten los motores en metralla a toda prisa, es casi seguro que va a utilizar acoplamientos flexibles. Los acoplamientos flexibles tienen cierto rendimiento axialmente y están diseñados principalmente para estar bajo cargas de compresión y tienden a fallar cuando se estiran repetidamente.
Para el eje Z esto normalmente no es un problema porque todo el sistema se mantiene presionado por la gravedad, pero en los ejes X e Y, obtendrá algunas compensaciones extrañas de incluso un milímetro o dos cada vez que el carro o la plataforma cambian de dirección. Por lo tanto, querrá asegurarse de que los motores no soporten la carga por sí mismos, y que el tornillo permanezca bloqueado en relación con el marco sin dejar de girar.
Puede lograr esto si tiene un anillo sujeto a cada extremo del tornillo de avance que empuja un cojinete de empuje o se monta en un cojinete de bolas normal. Idealmente, puede hacer ambas cosas, pero esto se convierte en una empresa costosa con muchos corchetes en lugares extraños para los que puede no tener espacio. Terminé perdiendo unos 20 mm de recorrido de la cama resolviendo este problema.
Sexto
Debe pensar en lo que sucede cuando falla un componente. Para mí, fueron mis paradas finales. La primera falla fue del problema de diafonía que mencioné anteriormente. Las paradas en Y se activaron, la cama comenzó a moverse hacia la parte frontal de la impresora con el tiempo, y finalmente la impresora comenzó a tratar de mover la cama a través del frente del marco de la impresora.
Fue un exito.
La segunda vez fue simplemente que el interruptor de final de carrera fallaba mecánicamente. El recorrido de la correa se detiene en la polea. Los tornillos prisioneros van hasta el final del tornillo, y debido a que están orientados mucho más abajo que las correas, hay mucho más torque involucrado. Destruí el marco de mi impresora tres veces por separado debido a este problema, y una vez más cuando el acoplamiento flexible del eje Y se rompió. Esto permitió que el motor girara el tornillo fácilmente en una dirección pero no en otra, lo que esta vez forzó a la cama de impresión hacia atrás en lugar de hacia adelante, tirando el motor Y a través de su soporte y el marco nuevamente.
Conclusión
Los tornillos X / Y no son necesariamente una mala idea, simplemente una cara y tediosa en la impresión 3D. Son mucho más adecuados para aplicaciones de baja velocidad de avance, como fresadoras CNC, grabadores mecánicos y similares. Puede notar que incluso las aplicaciones de alta precisión como las impresoras láser tienden a tener carros alimentados por correa en lugar de atornillados. Los tornillos son mucho más adecuados para aplicaciones de alta carga y baja velocidad, y las impresoras tienden a ser todo lo contrario.
Si está tratando de eliminar el contragolpe debido a que las correas no están lo suficientemente apretadas, como lo estaba yo, la respuesta es hacer una mejor impresora. No pude apretar las correas lo suficiente como para que mis impresiones fueran precisas antes de que los motores comenzaran a fallar, porque no tenía la polea del extremo del motor apoyada por un rodamiento. Comience allí, literalmente, simplemente apoye a cada lado de la polea en el eje del motor con un pequeño cojinete apoyado contra el bastidor para quitar la carga radial del motor. Si sus cinturones se estiran demasiado, use una correa GT2 con núcleo de acero. Si su sistema es en general descuidado, cree un sistema más robusto. Mi proyecto actual es un Hypercube Evo, y encontré un proveedor que fabrica una correa GT2 con núcleo de acero. Voy a usar eso para maximizar la rigidez en el sistema de correas CoreXY. El marco está hecho de extrusiones de ranura en T de 30x30 mm, con varillas del eje Z de 12 mm y varillas del eje X / Y de 10 mm. Componentes más grandes y más caros que son mucho más robustos y se flexionan mucho menos que las varillas de 400 mm de largo y 8 mm en mi impresora cheapo.
Espero que esto ayude. (editado para que mis matemáticas sean correctas en los microsteps)
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Además del costo, el contragolpe , que se puede experimentar en el eje Z, donde las varillas roscadas y los tornillos prisioneros se usan principalmente, podría convertirse en un problema. La elasticidad de las correas GT2 generalmente evita este problema para los ejes X e Y.
Valdría la pena leer la respuesta de Tom a las ventajas de GT2 sobre un bastidor , que si bien la pregunta estaba relacionada con los mecanismos de cremallera y piñón , también se aplicaría a los tornillos de cabeza, en particular:
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El costo sería la razón principal. Puede diseñar un sistema de transmisión por correa que sea igualmente preciso, más rápido y con un recorrido más largo por un costo menor.
Los tornillos de avance son relativamente caros. El diferencial de costos aumenta dramáticamente con la longitud del recorrido y la velocidad con precisión equivalente.
Los tornillos de avance tienen una ventaja significativa de poder transportar una carga mucho más pesada mientras se mantiene la rigidez, lo cual es importante para algo como un molino CNC pero no es tan relevante para la impresión 3D.
Esto se da por supuesto cuando dices:
querías decir que todavía estás planeando usar motores paso a paso, pero considerando un tornillo de avance frente a las correas.
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Es posible usar tornillos de plomo; específicamente 4 tornillos de arranque. El único inconveniente es que debes tener cuidado con el calor.
Analicemos las preocupaciones
Costo. Sí, cuesta más que los cinturones, y durará más a velocidades más altas, mientras que un cinturón puede estirarse. Si el costo es un factor, entonces adhiérase a los cinturones.
Velocidad. Los tornillos de arranque múltiple ofrecen un paso más bajo que los de arranque simple. Como resultado, tiene menos reducción de giro. Esto puede traerlos en parte con cinturones. Los controladores que use determinarán qué tan rápido puede girar su motor paso a paso. Los controladores de modo de voltaje son los que se usan en las impresoras 3D y son buenos con un par elevado a baja velocidad (menos de 1000 rpm). Los controladores del modo actual son mejores a altas rpm (por ejemplo, el PowerStep01 de STMicro)
Calor. Cuando el tornillo de plomo se calienta, el metal se expande. Cuando el metal se expande, su precisión posicional desaparece. Usar un metal que tenga un bajo coeficiente de expansión térmica sería lo mejor, sin embargo, pueden costar más.
Con solo cambiar los controladores, debería poder aumentar la velocidad sin tener que recurrir al tornillo de plomo de arranque múltiple más pesado. El aumento del voltaje también ayudará, sin embargo, necesitaría un controlador que le permita variar la corriente de retención; de lo contrario, el motor se calentará y arderá cuando no esté en movimiento.
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