Motor NEMA: Mengidentifikasi dan Mengatasi Masalah Umum Printer 3D

Salah satu komponen dasar dalam setiap printer FFF 3D adalah motor. Mereka bertanggung jawab untuk melakukan gerakan yang diperlukan untuk memosisikan kepala cetak, serta untuk menarik filamen di ekstruder.

Motor yang digunakan adalah stepper motor, tipe yang paling umum adalah NEMA 17 dan NEMA 23.

Gambar 1: Jenis motor NEMA. Sumber: motioncontrolproducts.com

Motor stepper berkualitas baik memiliki keandalan yang sangat tinggi, jadi penyebab utama kegagalan motor biasanya eksternal, biasanya terkait dengan driver daya atau koneksi.

Stepper motors

Stepper motor adalah jenis motor yang berputar terus-menerus. Rotasi terjadi dalam lompatan diskrit dengan sudut tertentu. Ini adalah motor di antara motor DC standar dan servo motor. Seperti motor DC, mereka memungkinkan banyak putaran 360 °, sementara memungkinkan posisi sudut yang presisi, seperti servo motor.

Yang paling banyak digunakan di printer 3D adalah bipolar hybrid stepper motor, biasanya dalam format NEMA17 atau NEMA23. Motor hybrid menggabungkan kemampuan langkah kecil dari motor VR dengan kemampuan inersia tinggi dari motor magnet permanen. Di sisi lain, motor bipolar memberikan torsi dan pengancoran yang lebih tinggi dari pada motor unipolar sambil lebih ringan dan lebih kecil, namun mereka memerlukan pengontrol daya spesifik.

Saat memilih stepper motor, kita harus mengetahui karakteristik utamanya:

• Step: Ini adalah sudut minimum yang dapat diputar motor secara langsung (tanpa penggunaan pengontrol microstep). Biasanya kita dapat menemukan motor dengan step 1,8 º atau 0,9 º. Secara umum, step yang lebih kecil berarti ketepatan yang lebih besar, tetapi juga kecepatan putaran maksimum yang lebih rendah.
• Arus kerja: Ini adalah nilai arus maksimum di mana kita harus menyuplai motor agar bekerja dengan baik. Semakin banyak arus yang kita terapkan pada motor, semakin besar torsi yang kita capai dan oleh karena itu akan mampu menahan inersia yang lebih besar tanpa kehilangan langkah, namun, akan ada panas dan aus yang lebih besar. Penggunaan arus lebih tinggi dari yang ditentukan oleh produsen akan menyebabkan degradasi dan kegagalan motor.
• Tegangan per fase: Ini adalah tegangan yang diperlukan oleh masing-masing coil untuk beroperasi dengan benar.
• Resistansi fase: Ini adalah resistansi listrik yang diberikan oleh masing-masing coil.
• Induktansi fase: Nilai induktansi maksimum yang dihasilkan oleh masing-masing coil saat diaktifkan.
• Akurasi posisi: Deviasi maksimum yang dapat terjadi selama gerakan rotasi. Secara umum, nilai yang lebih rendah mewakili akurasi yang lebih tinggi.
• Suhu operasi maksimum: Ini adalah suhu operasi maksimum yang dapat ditahan motor. Melebihi suhu ini untuk waktu yang lama akan mengakibatkan kegagalan motor.
• Inersia rotor: Ini adalah inersia yang diberikan oleh rotor saat kosong karena bobotnya sendiri. Inersia yang didukung motor akan jumlah dari ini ditambah inersia elemen yang terpasang pada motor.
• Torsi atau holding torque: Ini adalah torsi maksimum yang dapat ditahan motor saat fase tidak aktif (tanpa arus), tanpa menyebabkan poros berputar.
• Anchor torque: Ini adalah torsi maksimum yang dapat ditahan motor saat berhenti dan fase aktif (hidup), tanpa menyebabkan poros berputar. Nilai ini dipertimbangkan untuk motor yang disuplai dengan arus maksimum.
• Starting torque: Ini adalah torsi yang diperlukan untuk mengatasi inersia rotor sehingga mulai berputar.
• Turning torque: Ini adalah torsi maksimum yang dapat ditahan motor saat berputar tanpa kehilangan langkah. Nilai ini dipertimbangkan untuk motor yang disuplai dengan arus maksimum.

Jika kita mencari motor yang memungkinkan kita menggunakan kecepatan tinggi dan menahan inersia tinggi selama gerakan, misalnya dalam kasus sumbu XY, kita harus memilih motor dengan step 1,8 º dan torsi tinggi.

Motor sumbu Z tidak akan memerlukan kecepatan kerja tinggi, jadi motor 0,9 º akan memberikan gerakan yang lebih halus. Dalam hal ini, motor dengan holding dan anchoring torque maksimum harus dipilih untuk mendukung bobot platform atau gantry (tergantung pada desain printer).

Koneksi bipolar stepper motors

Saat menghubungkan stepper motor dengan benar, berguna untuk memiliki lembar spesifikasi produsen yang tersedia, karena posisi kabel bervariasi dari satu model ke model lain.

Biasanya, stepper motor bipolar akan memiliki 4 koneksi yang terdiri dari dua rangkaian daya independen. Masing-masing rangkaian terdiri dari kutub positif dan negatif yang menyuplai daya ke masing-masing coil motor.

Pertama yang harus diketahui adalah posisi keempat koneksi ini pada papan kontrol printer kita. Kita dapat menemukan dua jenis nomenclatur pada papan kontrol. Yang pertama adalah 1A 1B 2A 2B, di mana setiap angka mewakili rangkaian dan huruf A dan B mewakili kutub. Yang kedua adalah A A^- B B^- di mana setiap huruf mewakili rangkaian dan aksen mewakili kutub negatif.

Setelah koneksi pada papan ditentukan, hal yang sama harus dilakukan untuk motor.

Gambar 2. Contoh koneksi pada lembar spesifikasi motor NEMA17. Sumber: Bondtech

Jika lembar spesifikasi tersedia, urutan kabel di konektor harus dikonsultasikan. Dalam hal ini, nomenclatur A A^- B B^- adalah yang paling umum.

Dalam hal papan dan motor menggunakan nomenclatur yang sama, koneksi sangat sederhana yaitu memasangkan setiap terminal. Jika mereka menggunakan nomenclatur yang berbeda, mereka harus dipasangkan sebagai berikut:

• 1A - A
• 1B - A^-
• 2A - B
• 2B - B^-

Jika tidak ada lembar data motor yang tersedia, pasangan koneksi setiap gulungan harus ditentukan. Ini dilakukan dengan mengukur resistansi pada semua kombinasi pasangan pin konektor yang mungkin. Ketika resistansi tidak tak hingga, pasangan pertama telah ditemukan. Kombinasi yang paling umum digunakan oleh produsen motor adalah 1-3 4-6 atau 1-4 3-6, jadi mulai dengan menguji dua kombinasi ini.

Setelah ditemukan, masing-masing fase dihubungkan ke masing-masing gulungan. Penting bahwa kedua fase dihubungkan ke coil dengan polaritas yang sama, jadi jika kita telah meletakkannya dalam fase terbalik, saat mengirim arus ke motor itu akan tidak bergerak dan akan mengeluarkan suara. Dalam hal ini polaritas salah satu coil harus dibalikkan.

Sangat penting untuk menjaga kedua fase terpisah, jadi kondisi konektor harus diperiksa secara berkala. Kontak buruk atau jembatan antara fase akan menyebabkan motor berhenti bekerja.

Pengaturan arus motor

Stepper motor disuplai melalui pengontrol atau driver spesifik. Ada banyak model yang berbeda di pasaran. Yang berkualitas tinggi biasanya akan memberikan daya tahan yang lebih lama dan operasi yang lebih tenang.

Di antara model yang tersedia, ada dua metode untuk menyesuaikan arus yang dikirim ke motor:

• By means of an adjusting screw. Secara umum, driver berkualitas rendah atau murah memungkinkan arus output disesuaikan by means of a potentiometer in the form of a screw. Dalam hal ini perlu menggunakan multimeter dan obeng keramik presisi untuk melakukan penyesuaian.
  Dalam hal ini penyesuaian dapat dilakukan dengan dua cara:
  
• By Current: Dengan printer menyala dan motor terhubung, arus pada salah satu fase akan diukur dan disesuaikan ke nilai yang tepat. Metode ini tidak disarankan, terutama saat pertama kali driver baru dihubungkan, karena motor awalnya disuplai tanpa mengetahui apakah arus output lebih tinggi dari arus yang diterima motor.
• By reference voltage: Ini adalah metode yang sedikit lebih kompleks, tetapi lebih direkomendasikan. Pertama kita harus menentukan referensi tegangan yang diperlukan menggunakan rumus:

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Di mana I_max adalah arus maksimum di mana motor akan disuplai (biasanya paling banyak 90 % dari maksimum yang ditentukan oleh produsen) dan Rs adalah resistansi deteksi driver.

Untuk menyesuaikannya di driver, cukup nyalakan driver, ukur tegangan antara pin Vref (biasanya potentiometer itu sendiri) dan pin ground (biasanya pin daya) dan tetapkan nilai yang tepat menggunakan potentiometer.

• By firmware: Banyak driver saat ini tidak memiliki potentiometer penyesuaian dan memungkinkan arus output diatur langsung by firmware. Untuk melakukan ini, cukup tetapkan nilai arus yang tepat di bagian motor firmware.

Saat memilih arus output driver, tidak disarankan untuk menggunakan nilai maksimum yang ditentukan oleh produsen. Untuk memperpanjang umur motor, jangan melebihi 90 % dari nilai maksimum produsen, yang optimal adalah arus minimum yang diperlukan untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk menahan inersia.
Arus yang lebih tinggi, selain torsi yang lebih tinggi, juga berarti panas yang lebih tinggi, kebisingan motor yang lebih tinggi dan aus yang lebih tinggi.

Kecepatan maksimum stepper motor

Stepper motor maju dengan pulsa, jadi kecepatan maksimum motor akan tergantung pada frekuensi sinyal maksimum yang dapat dikirim oleh papan kontrol. Selain itu, harus dipertimbangkan bahwa biasanya beberapa motor bekerja secara bersamaan, jadi frekuensi untuk masing-masing akan menurun.

Misalnya, jika papan kontrol bekerja pada 100000 Hz dan 4 motor (X,Y,Z dan ekstruder) bekerja secara bersamaan, setiap motor akan dikontrol pada 25000 Hz, atau 25000 pulsa per detik. Ini berarti motor 1,9 ° tanpa microstepping dapat berputar maksimal 125 rps. Dalam sistem drive belt GT2 8-gigi (yang paling umum) ini berterjemahkan menjadi kecepatan linier teoritis maksimum 3600 mm/s.

Dalam kasus microstepping, kecepatan maksimum akan berkurang proporsional, sehingga jika 16 microsteps digunakan, kecepatan maksimum akan 225 mm/s, tetapi jika 256 microsteps digunakan, akan berkurang hingga hanya 14 mm/s.

Sangat penting untuk mengetahui frekuensi operasi papan kontrol, karena kombinasi frekuensi output rendah dengan pengaturan microstep tinggi dapat menyebabkan kecepatan maksimum yang diizinkan lebih rendah dari kecepatan cetak, yang menghasilkan kehilangan langkah yang signifikan.

Pengaturan steps per mm yang tepat

Ketika sinyal gerakan ditransmisikan ke motor, dikirim sebagai rotasi, namun gerakan yang termasuk dalam file cetak adalah linier. Inilah mengapa printer harus dapat menterjemahkan gerakan sudut menjadi gerakan linier.

Gerakan biasanya ditransmisikan melalui roda gigi dan belt, sehingga konversi step/mm tergantung pada diameter roda gigi.
Untuk menghitung ini, rumus berikut cukup diterapkan:

steps/mm = (360/P) · MS
2 · π · R_pulley

Di mana P adalah motor pitch, MS adalah microsteps yang dikonfigurasikan (1 dalam hal tidak menggunakan microstepping) dan Rpulley adalah radius roda gigi yang digunakan.

Dalam hal gerakan yang ditransmisikan oleh baut, pitch baut yang menentukan feed rate. Untuk tujuan ini, rumus berikut cukup diterapkan:

steps/mm = (360/P) · MS
A

Di mana P adalah motor pitch, MS adalah microsteps yang dikonfigurasikan (1 dalam hal tidak menggunakan microstepping) dan A adalah pitch ulir baut.

Ada juga banyak kalkulator yang memudahkan untuk mendapatkan nilai-nilai ini, seperti yang ditawarkan oleh Prusa Printers.

Setelah nilai-nilai ini diperoleh, dan meskipun dalam teori mereka benar, disarankan untuk melakukan kalibrasi yang presisi untuk mengomensasi cacat manufaktur atau pemasangan yang mungkin.

Untuk tujuan ini, kubus dengan dimensi yang diketahui (misalnya 50 x 50 x 50 mm) akan dicetak dan dimensi aktual diukur. Setelah ini dilakukan, rumus berikut akan diterapkan:

steps/mm = D_theorical · P_actual
D_real

di mana D_theorical adalah ukuran teoritis yang seharusnya dimiliki bagian, P_actual adalah pengaturan P/mm saat ini dan D_real adalah nilai pengukuran yang diperoleh dari bagian yang dicetak.
Dengan memasukkan nilai P/mm baru, Anda seharusnya mendapatkan bagian dengan dimensi yang sesuai.

Pertimbangan yang harus dipertimbangkan

• Step loss: Kehilangan langkah biasanya disebabkan oleh torsi berlebih pada mesin. Akselerasi besar atau kecepatan perubahan arah tinggi akan menyebabkan inersia yang torsi motor tidak dapat kompensasi, menghasilkan kehilangan langkah. Demikian pula, kombinasi frekuensi sinyal rendah dan pengaturan microstep tinggi akan secara drastis mengurangi kecepatan maksimum motor. Jika kecepatan cetak melebihi ini, kehilangan langkah juga akan terjadi. Dalam hal ini, kehilangan langkah pada printer open-loop akan menghasilkan kehilangan posisi.
• Temperature: Pengaturan arus yang tinggi akan menyebabkan motor menjadi panas. Jika motor berada di dalam struktur tertutup atau dipanaskan yang tidak memungkinkan panas untuk menduap dengan benar, suhu kerja dapat terlepas, menyebabkan demagnetisasi magnet dan kegagalan atau kerusakan motor. Pada printer tertutup, disarankan untuk menempatkan motor di luar ruang, atau jika ini tidak mungkin, untuk mengurangi arus ke minimum yang diperlukan.
• Hysteresis: Ini adalah fenomena intrinsik pada motor. Ini dapat menyebabkan error posisi kecil di akhir gerakan. Penggunaan motor berkualitas akan mengurangi error ini.
• Resonance: Semua motor memiliki frekuensi alami. Jika frekuensi pulsa yang dikirim ke motor mirip dengan frekuensi alami, efek resonansi akan terjadi. Ini akan menyebabkan getaran, kebisingan dan aus yang meningkat.
• Step settings: Pengaturan step/mm yang tidak tepat akan menghasilkan error posisi, yang akan tercermin dalam error dimensi pada bagian.
• Connection: Mencampur atau menjembatani fase akan menyebabkan motor tidak berputar atau berputar secara tidak teratur. Meletakkan satu fase dengan polaritas terbalik terhadap yang lain akan menyebabkan motor tidak berputar. Membalikkan polaritas kedua fase, saat terhubung dengan benar, akan menyebabkan motor berputar ke arah yang berlawanan.

Panduan ini membahas konsep secara umum dan tidak difokuskan pada merek atau model tertentu, meskipun mungkin disebutkan pada titik tertentu. Mungkin ada perbedaan penting dalam prosedur kalibrasi atau penyesuaian antara merek dan model yang berbeda, jadi disarankan untuk mengonsep manual produsen sebelum membaca panduan ini.