Sposoby wzrostu wydajności drukarek 3D

Jakie są jednak możliwości, aby zwiększyć wydajność wydruku? Głównymi czynnikami wpływającymi na prędkość wydruku są właściwości układu napędowego drukarki, wydajność ekstrudera i właściwości fizyko-chemiczne użytego materiału. Z kolei na jakość i dokładność wymiarową drukowanych elementów wpływa dodatkowo zapewnienie stabilnych warunków procesu, głównie temperatury. O ile nie mamy większego wpływu na właściwości fizyko-chemiczne danego materiału, o tyle mamy wpływ na właściwości układu napędowego i wydajność ekstrudera.

W drukarkach, jako układ napędowy możemy najczęściej spotkać silniki krokowe współpracujące ze śrubą pociągową/kulową lub paskami zębatymi. Zastosowanie silników krokowych wydaje się być bardzo dobrym rozwiązaniem, gdyż charakteryzują się one bardzo dużym momentem w stosunku do gabarytów silnika. Należy jednak pamiętać, że silnik, silnikowi nierówny. Zdaje się, że często o tym fakcie zapominają konstruktorzy drukarek, którzy decydują się na zastosowanie najtańszych silników krokowych produkcji azjatyckiej. W wielu przypadkach do silników krokowych dołączona jest tylko karta katalogowa, bez podania charakterystyki momentowej takiego silnika. Tymczasem podstawą prawidłowego doboru silnika krokowego do aplikacji jest wykorzystanie wykresu zależności momentu obrotowego od prędkości obrotowej silnika. Dla silników krokowych jako znamionowy parametr podaje się tzw. moment trzymający, czyli maksymalny moment obrotowy silnika krokowego, generowany przy prędkości n = 0 obr./min. Parametr ten nie niesie jednak ze sobą żadnych informacji na temat dynamiki pracy silnika krokowego.

Poniżej przedstawiono charakterystyki dwóch silników krokowych o podobnych gabarytach i parametrach elektrycznych.

Jak można zauważyć, silnik krokowy ML23HSAP4300 marki MOONS’ dla prędkości 600 rpm dysponuje momentem obrotowym ponad trzykrotnie większym, niż silnik 23HS30-2804S o podobnych parametrach i gabarytach. Silnik ML23HSAP4300 jest produktem ze standardowej serii ML. Marka MOONS’ posiada również w swojej ofercie silniki krokowe serii Power Plus, charakteryzujące się momentem obrotowym wyższym o dodatkowe 30‒40% względem serii ML.

Należy jednak pamiętać, że zastosowanie wysokojakościowego silnika krokowego to tak naprawdę połowa sukcesu. Drugą połowę stanowi zastosowanie odpowiedniego sterownika silnika krokowego i elementów mechanicznych, takich jak np. śruby kulowe, odpowiedniej jakości prowadnice liniowe, paski i koła zębate, itp.

Marka MOONS’ ma w swojej ofercie szeroką gamę sterowników silników krokowych – od najprostszych, sterowanych impulsowo krok-kierunek (SR3-mini, SR4-PLUS, SR8-PLUS), po zaawansowane sterowniki z komunikacją sieciową w protokole EtherCAT, CANopen, Ethernet/IP, Modbus TCP, Modbus RTU czy eSCL oraz wbudowanym programowalnym sterownikiem ruchu umożliwiającym niezależną pracę silnika (seria STF). Sterowniki marki MOONS’ mają wbudowane zaawansowane funkcje antyrezonansowe, funkcję autotestu silnika, redukcji prądu silnika podczas postoju, filtry wygładzające, wbudowane filtry przeciwzakłóceniowe, wybór zakresu momentu bezwładności obciążenia, itp. Charakteryzują się przy tym bardzo małymi wymiarami gabarytowymi i obsługą sygnałów szybkich nawet do 2 MHz.

Najbardziej wymagającymi urządzeniami są drukarki przemysłowe, gdzie główny nacisk kładzie się na wysoką wydajność, dokładność i funkcjonalność urządzeń. Zwiększenie precyzji przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności możliwe jest poprzez zastosowanie napędów serwokrokowych lub serwonapędów. Praca w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, pełna kontrola prądu, prędkości i pozycji silnika umożliwia bardzo dokładne sterowanie silnikiem serwokrokowym, ograniczenie strat energii, pozwala na cichszą i płynniejszą pracę. Szczególnie interesującym rozwiązaniem dla producentów drukarek 3D mogą być nowe napędy serwokrokowe serii SSDC marki MOONS’. Dostępne są w rozmiarach od NEMA11 do NEMA34 i momencie trzymającym do 8Nm. Silniki serwokrokowe mogą być wyposażone w enkoder magnetyczny o rozdzielczości 4096 imp./obr. lub precyzyjny enkoder optyczny o rozdzielczości 20000 imp./obr. Opcją dodatkową jest hamulec.

Sterowniki serwokrokowe serii SSDC umożliwiają pracę w trzech trybach:

• silnika krokowego z identyfikacją zgubienia kroku i utraty synchronizacji;
• silnika serwokrokowego pracującego w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego; system nadążny,
• silnika serwokrokowego pracującego w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego z obsługą dodatkowego enkodera zewnętrznego, np. liniału (elektroniczna korekcja luzów mechanicznych).

Silnikiem krokowym można sterować impulsowo (krok-kierunek), analogowo, lub poprzez jeden z dostępnych protokołów komunikacyjnych: EtherCAT, CANopen, Ethernet/IP, Modbus TCP, Modbus RTU, eSCL. Dodatkowo każdy ze sterowników SSDC posiada wbudowany programowalny sterownik ruchu Qprogrammer, umożliwiający wykonywanie programu z nieulotnej pamięci sterownika, obsługę wejść/wyjść, operacje na rejestrach, operacje arytmetyczne i logiczne, itd.

Co ważne, napędy serwokrokowe marki MOONS’ pozwalają zwiększyć wydajność maszyn nawet powyżej 50%. W przypadku drukarek 3D są doskonałą alternatywą dla serwonapędów, a nawet, można zaryzykować tezę, że w wielu aspektach je przewyższają.

Oprócz wspomnianych wcześniej napędów głównych osi drukarki ważnym aspektem jest również wydajność samego ekstrudera. W standardowych rozwiązaniach stosuje się zazwyczaj silniki krokowe NEMA 17 o momencie 0,45‒0,67 Nm. Waga pojedynczego silnika to ok. 0,3‒0,4 kg. Stosując dwa tego typu silniki waga samego napędu ekstrudera dochodzi do nawet 0,8 kg. Stosunkowo duża masa napędu ekstrudera wpływa bezpośrednio na obniżenie dynamiki napędu głównego osi X-Y, ze względu na wyższy moment bezwładności. Alternatywą do stosowania silników krokowych jako napędu radełek ekstrudera mogą być napędy bezrdzeniowe ECU marki MOONS’. Napędy te charakteryzują się bardzo dużą gęstością mocy, małymi wymiarami i wagą. W połączeniu z miniaturową wielostopniową przekładnią planetarną i zabudowanym enkoderem mogą generować moment obrotowy na poziomie 0,8‒1,2 Nm przy średnicy silnika w zakresie fi 16 – fi 22mm i masie łącznej kilkudziesięciu gram.

Firma Pivexin Technology Sp. z o.o., dystrybutor marki MOONS’ w Polsce, prowadzi z krajowymi producentami drukarek 3D doświadczenia i prace badawczo-rozwojowe nad zwiększeniem wydajności polskich drukarek 3D. W wyniku tych prac udało się zwiększyć wydajność wielu maszyn w zakresie od 30 do nawet 50%.

Pivexin Technology
www.pivexin-tech.pl