Motores de passo versus servo motores: o que torna uma impressora 3D FDM melhor?

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Quando você olha os bastidores de qualquer impressora 3D FDM, descobre que todas elas dependem de algum tipo de motor para controlar o processo de impressão. Seja movendo a cabeça de impressão, levantando e abaixando o estágio z ou movendo o filamento através de uma extrusora, os motores são parte integrante do processo FDM.

Dentro disso, as duas formas mais padrão de motores encontradas em uma impressora FDM são motores de passo e/ou servomotores. Embora ambos os tipos alcancem o mesmo resultado final, existem diferenças significativas entre os dois que os tornam mais adequados para diferentes tipos de produtos.

Neste artigo, daremos uma olhada nos motores de passo e servomotores para entender suas diferenças e como suas funções nas impressoras FDM.

Os motores de passo são uma forma de motor que gira em etapas incrementais de um grau fixo. Esses motores consistem em um único eixo giratório (ou seja, um rotor) posicionado dentro de um estator. O próprio estator consiste em vários dentes espaçados uniformemente, cada um deles cercado por um fio enrolado conhecido como enrolamento do motor. Os enrolamentos do motor atuam como eletroímãs: quando são energizados (isto é, uma tensão é aplicada a eles), eles ficam magnetizados e atraem o rotor para a bobina energizada.

Seção transversal de um motor de passo. Imagem do Poder Monolítico.

Operar um motor de passo requer o uso de um circuito integrado (IC) de driver de motor de passo dedicado que é controlado por um microcontrolador (MCU) ou processador. O driver do motor de passo aplica tensões seletivamente aos enrolamentos do motor para controlar o movimento do rotor para a posição desejada.

Controlando um motor de passo em modo onda. Imagem do Poder Monolítico.

No contexto da impressão 3D, normalmente você encontrará pelo menos um motor de passo para cada eixo. Para X e Y, é comum que os motores de passo sejam conectados a um sistema de correia que aciona um pórtico, enquanto o eixo Z pode ser conectado diretamente a um parafuso para levantar/abaixar o estágio Z.

Para impressoras FDM, os motores de passo oferecem uma série de vantagens e desvantagens.

Uma das principais vantagens dos motores de passo é que eles são muito acessíveis, o que os torna uma boa escolha para impressoras FDM de mesa voltadas para o consumidor. Além disso, os motores de passo têm a vantagem de um torque extremamente alto em baixas velocidades, o que é ideal para impressão 3D. Da mesma forma, os steppers têm a vantagem de um elevado torque de retenção – o que significa que podem facilmente manter a posição durante as pausas de impressão.

Uma desvantagem de um motor de passo é que a precisão posicional do motor é limitada pelo número de enrolamentos do motor. Para confundir ainda mais as coisas, os motores de passo não oferecem feedback inerentemente – o que significa que é impossível saber a posição exata do motor (sem o uso de um codificador). Isso pode limitar a precisão dimensional nas impressões.

Além disso, os motores de passo são prejudicados pelo fato de que seu torque diminui à medida que a velocidade aumenta. O resultado disso é que as impressoras 3D baseadas em motores de passo perdem confiabilidade e precisão à medida que sua velocidade de impressão aumenta.

Os servomotores, por outro lado, são uma forma de motor elétrico que consiste em um motor CC, engrenagens, circuitos de controle e feedback de posicionamento, todos incluídos em uma unidade. Devido ao circuito de controle integrado e ao feedback de posicionamento, os servos oferecem precisão de posicionamento extremamente alta em comparação aos motores de passo.

Seção transversal de um servo motor. Imagem do Sparkfun.

Controlar um servo motor requer o uso de um MCU que envia comandos de modulação por largura de pulso (PWM) ao motor. O sinal de controle PWM normalmente consiste em uma série de pulsos, onde a duração (largura) de cada pulso determina a posição desejada do servo motor.

A faixa típica de largura de pulso é de 1 ms a 2 ms, com um período de cerca de 20 ms. Na maioria dos casos, os servomotores têm apenas uma amplitude de movimento de 180 graus.

Nas impressoras 3D FDM, servos são usados ​​para controlar o movimento X e Y da cabeça de impressão, bem como a subida e descida do estágio Z.