Existem razões práticas para NÃO usar um motor de passo com parafuso de avanço para os eixos X e ou Y?

Depois de alguns meses de impressão com a minha Prusa Mk3 (com planos de obter uma segunda em breve), fiquei pensando em tornar minha terceira impressora construída em casa era uma cama de impressão maior que a Mk3. Uma coisa que me perguntei é perfeitamente expressa na pergunta do título.

Existem razões práticas para não usar um motor de passo com parafuso de avanço para os eixos X e ou Y?

Certamente, estou feliz com as correias GT2 usadas na minha impressora atual, mas me pergunto se o design pode ser mais simples com parafusos nos três eixos.

Vou responder a isso como alguém que realmente reformulou seu clone do Prusa i3 para usar parafusos de chumbo em todos os eixos. Antes de se aprofundar no assunto, a questão da folga pode ser facilmente resolvida com porcas de latão com mola, como os parafusos de esferas. Esse é o problema mais simples de resolver, pois há muitas outras questões.

Versão curta / tl; dr

1. O hardware não suporta tantos microsteps.

2. A diafonia e a indutância do motor limitam as velocidades e a aceleração.

3. A qualidade de impressão sofre de maneiras realmente estranhas devido a (2).

4. Os parafusos de avanço não são feitos para movimentos rápidos por longos períodos de tempo e desgastam, mesmo com graxa.

5. Você precisará de superfícies de rolamento adicionais para impedir que seus motores se separem e para eliminar a folga devido aos acoplamentos flexíveis.

6. O sistema se torna muito mais propenso a modos de falha altamente destrutivos.

Explicações longas

Primeiro

Você notará que está limitado a taxas de movimento e aceleração horrivelmente, terrivelmente lentas. Meus parafusos são parafusos de 8 mm, com passo de 8 mm. Isso significa que são necessários 200 passos para percorrer 8 mm. Multiplique por 1/16 de microstepping e isso significa 3200 microsteps por 8 milímetros de curso. Multiplique pela velocidade que estiver tentando imprimir e, em seguida, pelo número de eixos que estiver usando, e você verá que sua placa RAMPS começa a gaguejar em movimentos complexos, se você imprimir rápido o suficiente.

Segundo

Você atingirá rapidamente os limites de indutância de seus motores. Em níveis de potência "padrão" (aqueles que não fritam meus motores NEMA17), mesmo depois de mudar para 24 V durante toda a instalação, o mais rápido que pude girar meus motores foi de cerca de 5 rotações por segundo, o que significa 16.000 microssegundos por segundo com parafusos de passo de 8 mm. Para referência, isso significa que, sob carga ZERO, o mais rápido que o meu N17 com inclinação de 8 mm pode viajar, é de cerca de 40 mm / s.

Você está basicamente rodando as bobinas do motor a vários kilohertz, o que significa que você deve ter muito cuidado em manter seus fios separados e protegidos para evitar a interferência, além do fato de que, à medida que a frequência de seus passos aumenta, seu torque diminui drasticamente. . Isso não apenas limita o peso da cama que o motor é capaz de empurrar a uma determinada velocidade, mas você precisa se preocupar com a inércia do motor e da cama muito mais do que com um sistema acionado por correia. Então, em vez de um puxão de 30 mm / s com aceleração de 200 mm / s ² , de repente você se limita a, digamos, empurrão de 5 mm / s e aceleração de 40 mm / s ² .

Como mencionado, para obter melhores resultados, todo o sistema precisa ser convertido em 24 V e nem todas as placas estão configuradas para que isso seja feito com facilidade. Meu clone de RAMPS barato só precisava de um único diodo removido e tudo estava bem, mas o YMMV nesse sentido.

Você poderia resolver esse problema em particular, engrenando os motores, mas agora você introduziu uma nova fonte de folga entre os dentes da engrenagem ou no sistema de acionamento por correia, e meio que derrotou o ponto.

Terceiro

Devido a esse efeito, você encontra artefatos de pressão de extrusão. Basicamente, o plástico no bico é fluido, muito viscoso, sendo forçado através de um pequeno orifício. A pressão do fluido ficará um pouco atrás do que o motor da extrusora pensa que está acontecendo.

O resultado final é que, enquanto você está acelerando, as linhas que você coloca são mais finas do que deveriam e ficam mais grossas do que deveriam durante a desaceleração, e você tende a receber "globs" estranhos em cada canto quando chegar para uma parada. Para mim, com um bico de 0,4 mm, largura da linha de 0,8 mm e altura da camada de 0,2 mm, esses artefatos compensam completamente a precisão adicional que eu estava obtendo com um parafuso de avanço firmemente acoplado com porcas duplas com mola. As peças acabaram sendo ainda menos dimensionalmente precisas do que antes, com deformidades muito estranhas.

Existem configurações que você pode usar no firmware para tentar combater esse efeito específico, mas o processo é tedioso e requer muita tentativa e erro, e recompilar o firmware a cada 30 segundos é irritante, sem mencionar que as variáveis ​​dependem nas configurações de largura da linha, velocidade e aceleração e altura da camada, para recompilar o firmware sempre que quiser alterar a qualidade da impressão. Super, super chato.

Quarto

Parafusos de chumbo não são realmente projetados para isso. O movimento constante de vaivém vai desgastar as porcas de latão e até as roscas de aço dos parafusos ao longo do tempo. Você acaba com um resíduo preto em pó em tudo o que está embaixo do parafuso, o que, no eixo X, normalmente também significa sua impressão. Ninguém quer pó de aço que atrapalha a adesão da camada.

No meu caso, usei o Superlube, que é uma graxa de silicone / PTFE, para ajudar a evitar esse problema, mas isso só funciona tão bem quando você tem porcas de latão com mola. Eventualmente, eles empurram a maior parte do lubrificante. Além disso, o lubrificante tende a agarrar e reter qualquer pó metálico que se formar, acelerando o desgaste em áreas ainda lubrificadas.

Quinto

Rolamentos. Acontece que os motores têm rolamentos internos, que geralmente sugam e não são feitos para cargas pesadas em nenhuma direção. Eu descobri isso quando meu motor N17 do eixo Y falhou porque o rolamento falhou e espalhou pó por todas as bobinas, algumas das quais foram empurradas pelo esmalte e causaram curto-circuito nos fios.

Além disso, como pequenas quantidades de desalinhamento transformam motores em estilhaços às pressas, você certamente usará acoplamentos flexíveis. Os acoplamentos flexíveis têm uma certa quantidade de rendimento axialmente e são projetados principalmente para estar sob cargas de compressão e tendem a falhar quando esticados repetidamente.

Para o eixo Z, isso normalmente não é um problema, porque todo o sistema é pressionado pela gravidade, mas nos eixos X e Y, você obtém algumas compensações estranhas de um milímetro ou dois cada vez que o carro ou o leito muda de direção. Portanto, você deve certificar-se de que os motores não estejam com carga e o parafuso permanecerá travado em relação ao chassi enquanto ainda puder girar.

Você pode fazer isso com um anel preso a cada extremidade do parafuso que empurra um rolamento de pressão ou monta em um rolamento de esferas regular. Idealmente, você pode fazer as duas coisas, mas isso se transforma em um empreendimento caro, com muitos colchetes em lugares estranhos para os quais você não tem espaço. Acabei perdendo cerca de 20 mm de curso na cama resolvendo esse problema.

Sexto

Você precisa pensar no que acontece quando um componente falha. Para mim, foram meus pontos finais. A primeira falha ocorreu no problema de diafonia mencionado acima. Paradas em Y acionadas, a cama começou a deslocar-se para a frente da impressora com o tempo e, eventualmente, a impressora começou a tentar mover a cama pela frente do quadro da impressora.

Foi bem sucedido.

A segunda vez foi simplesmente o interruptor de fim de curso falhando mecanicamente. O curso da correia para na polia. Os parafusos de avanço vão até o final do parafuso e, como são muito mais reduzidos do que as correias, há muito mais torque envolvido. Destruí o quadro da impressora três vezes por causa desse problema e mais uma vez quando o acoplamento flexível do eixo Y se rompeu. Isso permitiu que o motor girasse o parafuso facilmente em uma direção, mas não em outra - o que desta vez forçou a base de impressão para trás em vez de para a frente, puxando o motor Y através do suporte e da estrutura novamente.

Conclusão

Parafusos X / Y não são necessariamente uma má idéia, é simplesmente cara e tediosa na impressão 3D. Eles são muito mais adequados para aplicações de baixa taxa de avanço, como moinhos CNC, gravadores mecânicos e similares. Você pode notar que mesmo aplicativos de alta precisão, como impressoras a laser, tendem a ter carruagens alimentadas por correia, em vez de movidas a parafuso. Os parafusos são muito mais adequados para aplicações de alta carga e baixa velocidade, e as impressoras tendem a ser o oposto disso.

Se você está tentando eliminar a folga devido ao fato de os cintos não serem suficientemente apertados, como eu estava, a resposta é fazer uma impressora melhor. Eu não conseguia apertar as correias o suficiente para obter minhas impressões precisas antes dos motores começarem a falhar, porque eu não tinha a polia da extremidade do motor suportada por um rolamento. Comece por aí, literalmente, apenas apoie em ambos os lados da polia no eixo do motor com um pequeno rolamento apoiado na estrutura para retirar a carga radial do motor. Se seus cintos estão esticando muito, use uma correia GT2 com núcleo de aço. Se o seu sistema for apenas superficial, construa um sistema mais robusto. Meu projeto atual é um Hypercube Evo e encontrei um fornecedor que fabrica correia GT2 com núcleo de aço. Vou usar isso para maximizar a rigidez no sistema de correias CoreXY. A estrutura é feita com extrusões de ranhura em T de 30x30 mm, com hastes de 12 mm no eixo Z e hastes no eixo X / Y de 10 mm. Componentes maiores e mais caros, muito mais robustos e flexionam muito menos do que as hastes de 400 mm de comprimento e 8 mm na minha impressora barata.

Espero que isto ajude. (editado para acertar minha matemática nos microsteps)

Além do custo, a folga , que pode ser observada no eixo Z, onde as hastes roscadas e os parafusos de avanço são mais usados, poderia / poderia se tornar um problema. A elasticidade das correias GT2 geralmente evita esse problema nos eixos X e Y.

Vale a pena ler a resposta de Tom para as vantagens do GT2 sobre um rack , que, embora a pergunta estivesse relacionada aos mecanismos de rack e pinhão , também se aplicaria aos parafusos de chumbo, em particular:

Para evitar folgas e obter o mesmo tipo de engate "apertado", a engrenagem e o rack precisam ser feitos com uma precisão muito alta. O carro também precisa ser muito bem restringido, porque qualquer oscilação do rack em relação à engrenagem introduz folga (ou amarração). Além disso, você também precisa manter o rack e o pinhão bem lubrificados para que não se desgastem prematuramente.

O custo seria o principal motivo. Você pode projetar um sistema acionado por correia que seja igualmente preciso, mais rápido e com viagens mais longas por um custo menor.

Os parafusos de chumbo são comparativamente caros. O diferencial de custo aumenta drasticamente com a duração da viagem e a velocidade com precisão equivalente.

Os parafusos de avanço têm uma vantagem significativa de poder transportar uma carga muito mais pesada, mantendo a rigidez que é importante para algo como uma usina CNC, mas não é tão relevante para a impressão 3D.

Isso está no pressuposto quando você diz:

Existem razões práticas para não usar um motor de passo com parafuso de avanço para os eixos X e ou Y?

você quis dizer que ainda planeja usar motores de passo, mas considerando um parafuso de avanço x correias.

É possível usar parafusos de chumbo; especificamente 4 parafusos de partida. A única desvantagem é que você precisa ter cuidado com o calor.

Vamos detalhar as preocupações

• Custo. Sim, custa mais do que cintos e durará mais tempo em velocidades mais altas, enquanto um cinto pode esticar. Se o custo é um fator, atenha-se aos cintos.

• Rapidez. Os parafusos de partida múltipla oferecem um passo menor do que os de partida única. Como resultado, você reduz menos o turno. Isso pode trazê-los em parte com cintos. Os drivers que você usa determinam a rapidez com que você pode girar o motor de passo. Os drivers do modo de voltagem são os usados ​​nas impressoras 3D e são bons com alto torque em baixa velocidade (sub 1000rpm). Os drivers do modo atual são melhores em altas rotações (por exemplo, powerStep01 do STMicro)

• Calor. Quando o parafuso de avanço aquece, o metal se expande. Quando o metal se expande, sua precisão posicional desaparece. Usar um metal com baixo coeficiente de expansão térmica seria o melhor, porém eles podem custar mais.

Apenas trocando os drivers, você poderá obter um aumento de velocidade sem precisar recorrer ao parafuso de avanço múltiplo mais pesado. Aumentar a tensão também ajudará; no entanto, você precisaria de um driver que permita variar a corrente de retenção; caso contrário, o motor irá aquecer e queimar quando não estiver em movimento.