Adakah alasan praktis untuk TIDAK menggunakan motor stepper dengan sekrup timbal untuk sumbu X dan atau Y?


10

Setelah beberapa bulan mencetak dengan Prusa Mk3 saya (dengan rencana untuk mendapatkan yang kedua segera), saya telah bertanya-tanya tentang membuat printer ketiga saya yang dibuat di rumah adalah tempat tidur cetak yang lebih besar daripada Mk3. Satu hal yang saya bertanya-tanya dengan sempurna diungkapkan dalam pertanyaan judul.

Adakah alasan praktis untuk tidak menggunakan motor stepper dengan sekrup timbal untuk sumbu X dan atau Y?

Saya tentu saja senang dengan sabuk GT2 yang digunakan pada printer saya saat ini, tetapi saya bertanya-tanya apakah desainnya mungkin lebih sederhana dengan sekrup-sekrup pada ketiga sumbu.


1
Kecepatan tetapi Anda dapat menggunakannya dengan nada yang berbeda dari 1mm / rev atau 6.35mm / rev dengan utas khusus seperti 8.46mm / rev atau 12.7mm / rev, saya berencana menggunakan utas standar acme 8mm.
Fernando Baltazar

Murni sebagai "percobaan yang menyenangkan", bagaimana dengan meletakkan stepper pada rakitan hotend (atau rakitan bed), pasang gear ke motor stepper, dan letakkan Rack pada posisi tetap. Sortir pengaturan funicular. Anda masih akan mendapat serangan balasan, saya khawatir.
Carl Witthoft

Jawaban:


14

Saya akan menjawab ini sebagai seseorang yang benar-benar mengerjakan ulang klon Fleabay Prusa i3 mereka untuk menggunakan leadscrews untuk semua sumbu. Sebelum menggali masalah ini, masalah reaksi dapat diselesaikan dengan mudah dengan mur kuningan pegas, seperti cara kerja bola bola. Itu masalah paling sederhana untuk dipecahkan karena ada banyak masalah lain.

Versi singkat / tl; dr

  1. Perangkat keras tidak dapat menangani banyak langkah mikro.

  2. Crosstalk dan kecepatan induktansi batas motor dan akselerasi.

  3. Kualitas cetak sangat aneh karena (2).

  4. Leadscrews tidak dibuat untuk gerakan cepat selama periode waktu yang lama dan akan dipakai, bahkan dengan minyak.

  5. Anda akan membutuhkan permukaan bantalan tambahan untuk mencegah motor Anda menggiling sendiri terpisah, dan untuk menghilangkan serangan balik karena kopling fleksibel.

  6. Sistem menjadi jauh lebih rentan terhadap mode kegagalan yang sangat merusak.

Penjelasan panjang

Pertama

Yang akan Anda perhatikan adalah Anda dihambat oleh pergerakan yang sangat lambat dan sangat cepat dan tingkat akselerasi. Sekrup saya adalah sekrup 8 mm, dengan pitch 8mm. Itu berarti dibutuhkan 200 langkah untuk menempuh jarak 8 mm. Lipat gandakan dengan microstepping 1/16, dan itu 3200 microsteps per 8 milimeter perjalanan. Lipatgandakan dengan kecepatan apa pun yang Anda coba cetak, kemudian jumlah sumbu yang Anda gunakan, dan Anda akan menemukan bahwa papan RAMPS Anda mulai gagap pada gerakan rumit jika Anda mencetak cukup cepat.

Kedua

Anda akan dengan cepat mencapai batas induktansi motor Anda. Pada level daya "standar" (yang tidak menggoreng motor NEMA17 tiruan saya), bahkan setelah beralih ke 24 V untuk seluruh pengaturan, kecepatan tercepat yang dapat saya putar motor saya adalah sekitar 5 putaran per detik, yang berarti 16.000 langkah mikro per kedua dengan sekrup pitch 8mm. Untuk referensi yang berarti bahwa di bawah beban NOL, pitch N17 w / 8 mm tercepat saya dapat melakukan perjalanan, adalah sekitar 40 mm / s.

Anda pada dasarnya menjalankan kumparan motor di beberapa kilohertz, yang berarti Anda harus benar-benar berhati-hati menjaga kabel Anda terpisah dan terlindung untuk mencegah crosstalk, selain fakta bahwa ketika frekuensi langkah Anda naik, torsi langkah Anda turun secara dramatis . Ini tidak hanya membatasi berat tempat tidur yang mampu didorong oleh motor pada kecepatan tertentu, tetapi Anda bahkan harus khawatir tentang kelembaman motor dan tempat tidur jauh lebih banyak daripada dengan sistem yang digerakkan oleh sabuk. Jadi alih-alih brengsek 30 mm / s dengan akselerasi 200 mm / s 2 , tiba-tiba Anda terbatas pada, katakanlah, brengsek 5 mm / s dan akselerasi 40 mm / s 2 .

Seperti disebutkan, untuk hasil terbaik, seluruh sistem perlu dikonversi ke 24 V, dan tidak semua papan dikonfigurasikan agar mudah dilakukan. Klon RAMPS murah saya hanya perlu satu dioda dihapus dan semuanya baik-baik saja, tapi YMMV dalam hal ini.

Anda dapat memecahkan masalah khusus ini dengan menurunkan motor, tetapi pada saat itu Anda sekarang telah memperkenalkan sumber serangan balik baru baik di antara gigi persneling atau dalam sistem sabuk drive, dan agak mengalahkan titik tersebut.

Ketiga

Karena efek ini, adalah Anda mengalami artefak tekanan ekstrusi. Pada dasarnya, plastik di nosel adalah cairan, yang sangat kental, dipaksa melalui lubang kecil. Tekanan fluida akan "agak" tertinggal di belakang apa yang motor ekstruder pikirkan sedang terjadi.

Hasil akhirnya adalah saat Anda berakselerasi, garis yang Anda letakkan lebih tipis dari seharusnya, dan akan lebih tebal daripada seharusnya saat melambat, dan Anda cenderung mendapatkan "gumpalan" aneh di setiap sudut ketika Anda datang berhenti. Bagi saya, dengan nozzle 0,4 mm, lebar garis 0,8 mm, dan tinggi lapisan 0,2 mm, artefak ini benar-benar mengimbangi akurasi tambahan yang saya peroleh dengan leadscrew yang dipasangkan erat dengan pegas mur ganda pegas di atasnya. Bagian-bagian tersebut akhirnya menjadi kurang akurat secara dimensi daripada sebelumnya, dengan kelainan bentuk yang sangat aneh.

ADA pengaturan yang dapat Anda gunakan dalam firmware untuk mencoba dan memerangi efek spesifik ini, tetapi prosesnya membosankan dan membutuhkan banyak coba-coba, dan mengkompilasi ulang firmware setiap 30 detik menyebalkan, belum lagi variabel tergantung lebar garis, pengaturan kecepatan dan akselerasi, dan ketinggian lapisan, jadi Anda harus mengkompilasi ulang firmware Anda kapan pun Anda ingin mengubah kualitas cetak. Super, super menjengkelkan.

Keempat

Leadscrews sebenarnya tidak dirancang untuk ini. Gerakan maju-mundur yang konstan akan memakai mur kuningan dan bahkan benang baja sekrup seiring waktu. Anda berakhir dengan residu bubuk hitam pada segala sesuatu di bawah sekrup, yang, pada sumbu X, biasanya juga berarti cetakan Anda. Tak seorang pun ingin bubuk baja mengacaukan adhesi lapisan mereka.

Dalam kasus saya, saya menggunakan Superlube, yang merupakan minyak silikon / PTFE, untuk membantu mencegah masalah ini, tetapi itu hanya bekerja dengan sangat baik ketika Anda mendapatkan kacang kuningan pegas. Akhirnya mereka mendorong sebagian besar pelumas keluar. Selain itu, pelumas cenderung untuk mengambil dan memegang bubuk logam yang terbentuk, mempercepat keausan di daerah yang masih dilumasi.

Kelima

Bantalan. Ternyata motor memiliki bantalan internal, yang umumnya menghisap dan tidak dibuat untuk beban berat ke segala arah. Saya mengetahui hal itu ketika motor Y-axis N17 saya gagal karena bantalannya, dan menyebarkan bubuk ke seluruh gulungan, beberapa di antaranya didorong melalui enamel dan memendekkan kabel.

Selain itu, karena sejumlah kecil ketidaksejajaran mengubah motor menjadi pecahan peluru dengan tergesa-gesa, Anda hampir pasti akan menggunakan kopling fleksibel. Kopling fleksibel memiliki jumlah hasil tertentu secara aksial, dan terutama dirancang untuk berada di bawah beban kompresi, dan cenderung gagal ketika diregangkan berulang kali.

Untuk sumbu Z, ini biasanya tidak menjadi masalah karena seluruh sistem ditekan oleh gravitasi, tetapi pada sumbu X dan Y, Anda akan mendapatkan beberapa offset aneh bahkan satu atau dua milimeter setiap kali carriage atau bed berpindah arah. Jadi, Anda harus memastikan bahwa motor tidak memuat beban sendiri, dan sekrup tetap terkunci relatif terhadap bingkai sementara masih bisa berputar.

Anda dapat melakukannya dengan memasang cincin di setiap ujung leadscrew yang mendorong bantalan dorong atau mengendarai bantalan bola biasa. Idealnya, Anda bisa melakukan keduanya, tetapi ini berubah menjadi usaha mahal dengan banyak tanda kurung di tempat-tempat aneh yang mungkin tidak Anda miliki ruangnya. Saya akhirnya kehilangan sekitar 20 mm dari perjalanan tidur menyelesaikan masalah ini.

Keenam

Anda perlu memikirkan apa yang terjadi ketika komponen gagal. Bagi saya, itu adalah langkah terakhir saya. Kegagalan pertama adalah dari masalah crosstalk yang saya sebutkan di atas. Y-stops terpicu, bed mulai bergeser ke arah depan printer dari waktu ke waktu, dan akhirnya printer mulai mencoba memindahkan bed melalui bagian depan frame printer.

Itu berhasil.

Yang kedua adalah saklar endstop gagal secara mekanis. Perjalanan sabuk berhenti di katrol. Leadscrews berjalan jauh ke ujung sekrup, dan karena mereka diarahkan jauh lebih rendah daripada sabuk, ada lebih banyak torsi yang terlibat. Saya menghancurkan bingkai printer saya tiga kali terpisah karena masalah ini, dan sekali lagi ketika kopling sumbu Y patah. Ini memungkinkan motor untuk memutar sekrup dengan mudah ke satu arah tetapi tidak ke arah yang lain - yang kali ini memaksa print bed mundur bukannya maju, menarik motor Y melalui braket dan bingkainya lagi.

Kesimpulan

Sekrup X / Y tidak selalu merupakan ide yang buruk , hanya yang mahal dan membosankan dalam pencetakan 3D. Mereka jauh lebih cocok untuk aplikasi dengan laju gerak makan rendah seperti pabrik CNC, pengukir mekanik, dan sejenisnya. Anda mungkin memperhatikan bahwa bahkan aplikasi dengan akurasi tinggi seperti printer laser cenderung memiliki gerbong pengumpanan sabuk daripada yang menggunakan sekrup. Sekrup lebih cocok untuk aplikasi beban tinggi, kecepatan rendah, dan printer cenderung berlawanan dengan itu.

Jika Anda mencoba menghilangkan serangan balik karena sabuk tidak cukup kencang, seperti saya, jawabannya adalah membuat printer yang lebih baik. Saya tidak bisa mengencangkan ikat pinggang cukup untuk mendapatkan cetakan saya akurat sebelum motor mulai gagal, karena saya tidak memiliki katrol ujung motor yang didukung oleh bantalan. Mulai di sana, secara harfiah hanya mendukung kedua sisi katrol pada poros motor dengan bantalan kecil yang dipasang pada rangka untuk mengambil beban radial dari motor. Jika ikat pinggang Anda terlalu panjang, gunakan sabuk GT2 inti-baja. Jika sistem Anda secara keseluruhan hanya ceroboh, bangun sistem yang lebih kuat. Proyek saya saat ini adalah Hypercube Evo, dan saya menemukan pemasok yang membuat sabuk GT2 inti-baja. Saya akan menggunakannya untuk memaksimalkan kekakuan dalam sistem sabuk CoreXY. Frame terbuat dari ekstrusi slot T 30x30 mm, dengan batang sumbu Z 12 mm dan batang sumbu X / Y 10 mm. Komponen yang lebih besar dan lebih mahal yang jauh lebih kuat dan akan melentur jauh lebih kecil daripada batang 8 mm panjang 400 mm pada printer murahan saya.

Semoga ini membantu. (diedit untuk mendapatkan matematika saya tepat di microsteps)


1
+1 - Jawaban yang sangat bagus, ditulis dari pengalaman! Hai dan selamat datang di SE.3DP. :-)
Greenonline

Ini adalah contoh dari jawaban yang sangat baik karena mencakup banyak pangkalan yang kurang dalam yang lain, dan membahas pro dan kontra dan umum "itu bisa dilakukan, tetapi ini sebabnya itu tidak dilakukan". Satu-satunya hal yang hilang untuk jawaban yang sempurna adalah membahas mesin kombinasi (FDM / Laser dan FDM / CNC combo).
Trish

1
Terima kasih atas jawaban yang menyeluruh.
Mikel F

1
Sayangnya saya tidak punya pengalaman dengan mesin kombinasi, dan saya lebih suka tidak berspekulasi terlalu jauh di luar gelembung shenanigan kecil saya. Senang saya bisa memberikan beberapa iluminasi pada topik, dan terima kasih kepada Trish dan Greenonline untuk membantu memformat. Penurunan harga saya belum yang terbaik.
Nach0z

2
Hebat, jawaban lengkap. Seperti semua diskusi teknik, saya akan menyarankan beberapa langkah mitigasi. Edisi # 1, masalah overhead firmware dengan stepping mikro, dapat diatasi (dengan driver yang tepat) dengan mengurangi rasio langkah mikro pada kecepatan yang lebih tinggi sehingga langkah mikro lebih sedikit diperlukan, bahkan kembali ke langkah penuh. Edisi # 2, masalah induktansi motor stepper ditangani dengan mengubah dari motor stepper ke servomotors, mungkin terlalu besar sehingga torsi pada kecepatan rendah cukup tinggi.
cmm

6

Selain biaya, serangan balik , yang dapat dialami dalam sumbu Z di mana batang berulir dan sekrup timah sering digunakan, akan / bisa menjadi masalah. Elastisitas sabuk GT2 umumnya menghindari masalah ini untuk sumbu X dan Y.

Sebaiknya Anda membaca jawaban Tom terhadap Keuntungan GT2 di atas rak , yang sementara pertanyaannya terkait dengan mekanisme Rack dan Pinion , juga akan berlaku untuk leadscrews, khususnya:

Untuk menghindari serangan balik dan mendapatkan ikatan "ketat" yang sama, baik roda gigi maupun rak harus dibuat dengan presisi yang sangat tinggi. Kereta juga perlu dibatasi dengan sangat baik, karena setiap goyangan pada rak relatif terhadap gigi menimbulkan serangan balik (atau penjilidan). Selain itu, Anda juga harus menjaga rak dan pinion terlumasi agar tidak aus sebelum waktunya.


5

Biaya akan menjadi alasan utama. Anda dapat merekayasa sistem yang digerakkan sabuk yang akan sama akurat, lebih cepat, dan dengan perjalanan yang lebih lama dengan biaya lebih rendah.

Sekrup timbal relatif mahal. Perbedaan biaya secara dramatis meningkat dengan lamanya perjalanan dan kecepatan dengan akurasi yang setara.

Sekrup timbal memang memiliki keuntungan signifikan karena mampu membawa beban yang jauh lebih berat sambil mempertahankan kekakuan yang penting untuk sesuatu seperti pabrik CNC tetapi tidak relevan untuk pencetakan 3D.

Ini berdasarkan asumsi ketika Anda mengatakan:

Adakah alasan praktis untuk tidak menggunakan motor stepper dengan sekrup timbal untuk sumbu X dan atau Y?

Anda berarti bahwa Anda masih berencana menggunakan motor stepper tetapi mempertimbangkan sekrup timbal vs ikat pinggang.


1
Meskipun bermanfaat, biaya bukanlah masalah besar untuk proyek yang tidak aktif. kecuali jika itu berbeda ratusan dolar. Harga yang saya lihat untuk stepper dengan sekrup timah tidak terlalu aneh.
Mikel F

0

Dimungkinkan untuk menggunakan sekrup timah; khusus 4 mulai leadscrews. Satu-satunya kelemahan adalah Anda harus waspada terhadap panas.

Mari kita uraikan keprihatinannya

  • Biaya. Ya harganya lebih dari sabuk, dan itu akan bertahan lebih lama pada kecepatan yang lebih tinggi, sedangkan sabuk dapat meregang. Jika biaya adalah faktor maka tetap berpegang pada ikat pinggang.

  • Kecepatan. Sekrup multi mulai menawarkan nada yang lebih rendah daripada sekrup mulai tunggal. Akibatnya Anda mengurangi pengurangan giliran. Ini bisa membuat mereka sebagian dengan ikat pinggang. Driver yang Anda gunakan akan menentukan seberapa cepat Anda dapat memutar motor stepper Anda. Driver mode tegangan seperti yang digunakan pada printer 3d bagus pada torsi tinggi dengan kecepatan rendah (sub 1000rpm). Driver mode saat ini lebih baik pada rpm tinggi (mis. STMicro's powerStep01)

  • Panas. Saat sekrup timah memanas, logam membesar. Saat logam membesar, akurasi posisi Anda menghilang. Menggunakan logam yang memiliki koefisien ekspansi termal yang rendah adalah yang terbaik, namun harganya mungkin lebih mahal.

Hanya dengan mengganti driver, Anda seharusnya bisa mendapatkan peningkatan kecepatan tanpa harus menggunakan sekrup multi start lead yang lebih berat. Meningkatkan voltase juga akan membantu, namun Anda akan memerlukan driver yang dapat membuat Anda mengubah arus penahanan, jika tidak motor akan memanas dan terbakar ketika tidak bergerak.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.