Motores paso a paso frente a servomotores: ¿Qué hace que una impresora 3D FDM sea mejor?

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Cuando miras debajo del capó de cualquier impresora 3D FDM, encontrarás que todas dependen de algún tipo de motor para controlar el proceso de impresión. Ya sea moviendo el cabezal de impresión, subiendo y bajando la etapa z o moviendo el filamento a través de una extrusora, los motores son una parte integral del proceso FDM.

Dentro de esto, las dos formas más estándar de motores que se encuentran en una impresora FDM son los motores paso a paso y/o los servomotores. Si bien ambos tipos logran el mismo resultado final, existen diferencias significativas entre los dos que los hacen más adecuados para diferentes tipos de productos.

En este artículo, veremos los motores paso a paso y los servomotores para comprender sus diferencias y su función en las impresoras FDM.

Los motores paso a paso son una forma de motor que gira en pasos incrementales de un grado fijo. Estos motores constan de un único eje giratorio (es decir, un rotor) que se coloca dentro de un estator. El estator en sí consta de varios dientes espaciados uniformemente, cada uno de los cuales está rodeado por un alambre enrollado conocido como devanados del motor. Los devanados del motor actúan como electroimanes: cuando se energizan (es decir, se les aplica un voltaje), se magnetizan y atraen el rotor hacia la bobina energizada.

Sección transversal de un motor paso a paso. Imagen de Monolithic Power.

El funcionamiento de un motor paso a paso requiere el uso de un circuito integrado (IC) de controlador de motor paso a paso dedicado que está controlado por un microcontrolador (MCU) o procesador. El controlador del motor paso a paso aplica selectivamente voltajes a los devanados del motor para controlar el movimiento del rotor a la posición deseada.

Control de un motor paso a paso en modo onda. Imagen de Monolithic Power.

En el contexto de la impresión 3D, normalmente encontrarás al menos un motor paso a paso para cada eje. Para X e Y, es común que los motores paso a paso estén conectados a un sistema de correa que luego impulsa un pórtico, mientras que el eje Z puede estar conectado directamente a un tornillo para subir/bajar la etapa Z.

Para las impresoras FDM, los motores paso a paso ofrecen una serie de ventajas y desventajas.

Una de las principales ventajas de los motores paso a paso es que son muy asequibles, lo que los convierte en una buena opción para las impresoras FDM de escritorio orientadas al consumidor. Además, los motores paso a paso tienen la ventaja de un par extremadamente alto a bajas velocidades, lo que es ideal para la impresión 3D. Del mismo modo, los motores paso a paso tienen la ventaja de un alto par de retención, lo que significa que pueden mantener la posición fácilmente durante las pausas de impresión.

Una desventaja de un motor paso a paso es que la precisión posicional del motor está limitada por la cantidad de devanados del motor. Para confundir aún más las cosas, los motores paso a paso no ofrecen inherentemente retroalimentación, lo que significa que es imposible saber la posición exacta del motor (sin el uso de un codificador). Esto puede limitar la precisión dimensional de las impresiones.

Además, los motores paso a paso se ven afectados por el hecho de que su par disminuye a medida que aumenta la velocidad. El resultado de esto es que las impresoras 3D basadas en motores paso a paso pierden confiabilidad y precisión a medida que aumenta su velocidad de impresión.

Los servomotores, por otro lado, son una forma de motor eléctrico que consta de un motor de CC, engranajes, circuitos de control y retroalimentación de posicionamiento, todo incluido en una sola unidad. Debido al circuito de control integrado y la retroalimentación de posicionamiento, los servos ofrecen una precisión posicional extremadamente alta en comparación con los motores paso a paso.

Sección transversal de un servomotor. Imagen de Sparkfun.

Controlar un servomotor requiere el uso de una MCU que envía comandos de modulación de ancho de pulso (PWM) al motor. La señal de control PWM normalmente consta de una serie de pulsos, donde la duración (ancho) de cada pulso determina la posición deseada del servomotor.

El rango típico de ancho de pulso es de 1 ms a 2 ms, con un período de alrededor de 20 ms. En la mayoría de los casos, los servomotores sólo tienen un rango de movimiento de 180 grados.

En las impresoras 3D FDM, los servos se utilizan para controlar el movimiento X e Y del cabezal de impresión, así como la subida y bajada de la etapa Z.

En general, las principales ventajas de los servomotores para impresoras FDM son su excepcional precisión posicional y velocidad.

Dado que ofrecen un par uniforme independientemente de la velocidad, los servomotores permiten una impresión más rápida con mayor control. Al mismo tiempo, el circuito de retroalimentación integrado de los servomotores permite una precisión precisa y un control del posicionamiento, lo que significa que se mejoran la precisión dimensional y la calidad de impresión.

La principal desventaja de los servos en las impresoras FDM es que son mucho más caros que los motores paso a paso. Por esta razón, sólo se utilizan en impresoras FDM de alta calidad industrial.

Tanto los motores paso a paso como los servomotores ofrecen su propio conjunto único de ventajas y desventajas cuando se trata de impresión FDM.

Si bien no existe un "ganador" claro entre los dos, la opción más común para la mayoría de las impresoras son los motores paso a paso. Si bien los servos ciertamente ofrecen la capacidad de un mayor control y precisión, los motores paso a paso más asequibles generalmente son suficientes para la mayoría de las aplicaciones de consumo y, como tales, son la opción más popular. Sin embargo, para las impresoras industriales de alta calidad donde el precio es un factor menor, los servos pueden ser el camino a seguir.

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