Schrittmotoren vs. Servomotoren: Was macht einen besseren FDM-3D-Drucker aus?

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Wenn Sie bei jedem FDM-3D-Drucker einen Blick unter die Haube werfen, werden Sie feststellen, dass sie alle auf irgendeine Art Motor angewiesen sind, um den Druckvorgang zu steuern. Ob es darum geht, den Druckkopf zu bewegen, den Z-Tisch anzuheben und abzusenken oder Filament durch einen Extruder zu bewegen, Motoren sind ein integraler Bestandteil des FDM-Prozesses.

Dabei sind die beiden gängigsten Motorformen in einem FDM-Drucker Schrittmotoren und/oder Servomotoren. Obwohl beide Typen das gleiche Endergebnis erzielen, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den beiden, die sie jeweils besser für unterschiedliche Produkttypen geeignet machen.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf Schritt- und Servomotoren, um ihre Unterschiede und ihre Rolle in FDM-Druckern zu verstehen.

Schrittmotoren sind Motoren, die sich in Schritten mit einem festen Grad drehen. Diese Motoren bestehen aus einer einzelnen rotierenden Welle (dh einem Rotor), die in einem Stator positioniert ist. Der Stator selbst besteht aus einer Reihe gleichmäßig verteilter Zähne, von denen jeder von einer Drahtspule umgeben ist, die als Motorwicklungen bezeichnet wird. Die Motorwicklungen wirken als Elektromagnete: Wenn sie erregt werden (dh wenn eine Spannung an sie angelegt wird), werden sie magnetisiert und ziehen den Rotor an die erregte Spule.

Querschnitt eines Schrittmotors. Bild von Monolithic Power.

Der Betrieb eines Schrittmotors erfordert die Verwendung eines speziellen integrierten Schaltkreises (IC) für den Schrittmotortreiber, der von einem Mikrocontroller (MCU) oder Prozessor gesteuert wird. Der Schrittmotortreiber legt selektiv Spannungen an die Motorwicklungen an, um die Bewegung des Rotors in die gewünschte Position zu steuern.

Steuerung eines Schrittmotors im Wellenmodus. Bild von Monolithic Power.

Im Kontext des 3D-Drucks findet man typischerweise mindestens einen Schrittmotor für jede Achse. Für X und Y werden Schrittmotoren üblicherweise an ein Riemensystem angeschlossen, das dann ein Portal antreibt, während die Z-Achse direkt an einer Schraube befestigt werden kann, um den Z-Tisch anzuheben/abzusenken.

Für FDM-Drucker bieten Schrittmotoren eine Reihe von Vor- und Nachteilen.

Einer der Hauptvorteile von Schrittmotoren besteht darin, dass sie sehr erschwinglich sind, was sie zu einer guten Wahl für verbraucherorientierte Desktop-FDM-Drucker macht. Darüber hinaus bieten Schrittmotoren den Vorteil eines extrem hohen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen, was ideal für den 3D-Druck ist. Gleichzeitig haben Stepper den Vorteil eines hohen Haltemoments, sodass sie die Position auch in Druckpausen problemlos halten können.

Ein Nachteil eines Schrittmotors besteht darin, dass die Positionsgenauigkeit des Motors durch die Anzahl der Wicklungen im Motor begrenzt ist. Erschwerend kommt hinzu, dass Schrittmotoren von Natur aus keine Rückmeldung bieten – was bedeutet, dass es unmöglich ist, die genaue Position des Motors zu kennen (ohne die Verwendung eines Encoders). Dadurch kann die Maßhaltigkeit der Ausdrucke eingeschränkt werden.

Darüber hinaus haben Schrittmotoren den Nachteil, dass ihr Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Dies hat zur Folge, dass schrittmotorbasierte 3D-Drucker mit zunehmender Druckgeschwindigkeit an Zuverlässigkeit und Genauigkeit verlieren.

Servomotoren hingegen sind eine Art Elektromotor, der aus einem Gleichstrommotor, Getrieben, Steuerschaltkreisen und Positionierungsrückmeldungen besteht, die alle in einer Einheit zusammengefasst sind. Aufgrund der integrierten Steuerschaltung und Positionierungsrückmeldung bieten Servos im Vergleich zu Schrittmotoren eine extrem hohe Positionsgenauigkeit.

Querschnitt eines Servomotors. Bild von Sparkfun.

Die Steuerung eines Servomotors erfordert den Einsatz einer MCU, die Pulsweitenmodulationsbefehle (PWM) an den Motor sendet. Das PWM-Steuersignal besteht typischerweise aus einer Reihe von Impulsen, wobei die Dauer (Breite) jedes Impulses die gewünschte Position des Servomotors bestimmt.

Der typische Bereich für die Impulsbreite liegt zwischen 1 ms und 2 ms, mit einer Periode von etwa 20 ms. In den meisten Fällen verfügen Servomotoren nur über einen Bewegungsbereich von 180 Grad.

Bei FDM-3D-Druckern werden Servos verwendet, um die X- und Y-Bewegung des Druckkopfes sowie das Anheben und Absenken des Z-Tischs zu steuern.

Generell liegen die großen Vorteile von Servomotoren für FDM-Drucker in ihrer außergewöhnlichen Positionsgenauigkeit und Geschwindigkeit.

Da sie unabhängig von der Geschwindigkeit ein gleichmäßiges Drehmoment bieten, ermöglichen Servomotoren ein schnelleres Drucken mit besserer Kontrolle. Gleichzeitig ermöglicht die integrierte Rückkopplungsschleife der Servomotoren eine präzise Genauigkeit und Kontrolle der Positionierung, was bedeutet, dass Maßhaltigkeit und Druckqualität verbessert werden.

Der große Nachteil von Servos in FDM-Druckern besteht darin, dass sie viel teurer sind als Schrittmotoren. Aus diesem Grund kommen sie eigentlich nur in hochwertigen FDM-Druckern in Industriequalität zum Einsatz.

Sowohl Schritt- als auch Servomotoren bieten beim FDM-Druck ihre ganz eigenen Vor- und Nachteile.

Obwohl es keinen klaren „Gewinner“ zwischen den beiden gibt, sind Schrittmotoren die gängigere Wahl für die meisten Drucker. Während Servos sicherlich die Möglichkeit einer besseren Steuerung und Genauigkeit bieten, reichen günstigere Schrittmotoren im Allgemeinen für die meisten Verbraucheranwendungen aus und sind daher die beliebtere Wahl. Für hochwertige Industriedrucker, bei denen der Preis jedoch eine untergeordnete Rolle spielt, könnten Servos die Lösung sein.

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