Motori passo-passo e servomotori: cosa rende migliore una stampante 3D FDM?

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Quando guardi sotto il cofano di qualsiasi stampante 3D FDM, scoprirai che fanno tutte affidamento su una qualche forma di motore per controllare il processo di stampa. Che si tratti di spostare la testina di stampa, alzare e abbassare lo stadio z o spostare il filamento attraverso un estrusore, i motori sono parte integrante del processo FDM.

All'interno di questo, le due forme più standard di motori presenti in una stampante FDM sono i motori passo-passo e/o i servomotori. Sebbene entrambi i tipi raggiungano lo stesso risultato finale, esistono differenze significative tra i due che li rendono ciascuno più adatto a diversi tipi di prodotto.

In questo articolo daremo uno sguardo ai motori passo-passo e ai servomotori per comprendere le loro differenze e il loro ruolo nelle stampanti FDM.

I motori passo-passo sono una forma di motore che ruota in passi incrementali di grado fisso. Questi motori sono costituiti da un unico albero rotante (ovvero un rotore) posizionato all'interno di uno statore. Lo statore stesso è costituito da una serie di denti equidistanti, ciascuno dei quali è circondato da un filo a spirale noto come avvolgimenti del motore. Gli avvolgimenti del motore agiscono come elettromagneti: quando sono eccitati (cioè quando viene applicata loro una tensione), si magnetizzano e attraggono il rotore sulla bobina eccitata.

Sezione trasversale di un motore passo-passo. Immagine da Potere monolitico.

Il funzionamento di un motore passo-passo richiede l'uso di un circuito integrato (IC) dedicato al driver del motore passo-passo controllato da un microcontrollore (MCU) o processore. Il driver del motore passo-passo applica selettivamente tensioni agli avvolgimenti del motore per controllare il movimento del rotore nella posizione desiderata.

Controllo di un motore passo-passo in modalità onda. Immagine da Potere monolitico.

Nel contesto della stampa 3D, in genere troverai almeno un motore passo-passo per ciascun asse. Per X e Y, è comune che i motori passo-passo siano collegati a un sistema di cinghie che poi aziona un portale, mentre l'asse Z può essere collegato direttamente a una vite per sollevare/abbassare lo stadio Z.

Per le stampanti FDM, i motori passo-passo offrono una serie di vantaggi e svantaggi.

Uno dei principali vantaggi dei motori passo-passo è che sono molto convenienti, il che li rende una buona scelta per le stampanti FDM desktop rivolte al consumatore. Inoltre, i motori passo-passo hanno il vantaggio di una coppia estremamente elevata a basse velocità, ideale per la stampa 3D. Allo stesso modo, gli stepper hanno il vantaggio di un’elevata coppia di tenuta, il che significa che possono facilmente mantenere la posizione durante le pause di stampa.

Uno svantaggio di un motore passo-passo è che la precisione di posizionamento del motore è limitata dal numero di avvolgimenti nel motore. Per confondere ulteriormente le cose, i motori passo-passo non offrono intrinsecamente feedback, il che significa che è impossibile conoscere l'esatta posizione del motore (senza l'uso di un encoder). Ciò può limitare la precisione dimensionale delle stampe.

Inoltre, i motori passo-passo sono afflitti dal fatto che la loro coppia diminuisce all’aumentare della velocità. Il risultato di ciò è che le stampanti 3D basate su motore passo-passo perdono affidabilità e precisione all’aumentare della velocità di stampa.

I servomotori, d'altra parte, sono una forma di motore elettrico costituito da un motore CC, ingranaggi, circuiti di controllo e feedback di posizionamento, il tutto racchiuso in un'unica unità. Grazie al circuito di controllo integrato e al feedback di posizionamento, i servi offrono una precisione di posizionamento estremamente elevata rispetto ai motori passo-passo.

Sezione trasversale di un servomotore. Immagine da Sparkfun.

Il controllo di un servomotore richiede l'uso di un MCU che invia comandi di modulazione della larghezza di impulso (PWM) al motore. Il segnale di controllo PWM consiste tipicamente in una serie di impulsi, dove la durata (larghezza) di ciascun impulso determina la posizione desiderata del servomotore.

L'intervallo tipico per l'ampiezza dell'impulso è compreso tra 1 ms e 2 ms, con un periodo di circa 20 ms. Nella maggior parte dei casi, i servomotori hanno un raggio di movimento di soli 180 gradi.

Nelle stampanti 3D FDM, i servo vengono utilizzati per controllare il movimento X e Y della testina di stampa, nonché il sollevamento e l'abbassamento della fase Z.