ステッピング モーターとサーボ モーター: FDM 3D プリンターの優れた点は何ですか?

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FDM 3D プリンターの内部を覗いてみると、印刷プロセスを制御するために何らかのモーターに依存していることがわかります。 プリントヘッドの移動、Z ステージの昇降、押出機でのフィラメントの移動など、モーターは FDM プロセスに不可欠な部分です。

この中で、FDM プリンタに使用される 2 つの最も標準的なモータ形式は、ステッピング モータおよび/またはサーボ モータです。 どちらのタイプも最終結果は同じですが、異なる製品タイプにより適したものとなる大きな違いがあります。

この記事では、ステッピング モーターとサーボ モーターの両方を見て、その違いと FDM プリンターにおける役割を理解します。

ステッピング モーターは、一定の段階で段階的に回転するモーターの一種です。 これらのモーターは、ステーターの内側に配置された単一の回転シャフト (つまり、ローター) で構成されています。 ステータ自体は等間隔に配置された多数の歯で構成されており、各歯はモーター巻線として知られるコイル状のワイヤで囲まれています。 モーターの巻線は電磁石として機能します。通電されると (つまり、電圧が印加されると)、巻線は磁化され、通電されたコイルにローターを引き付けます。

ステッピングモーターの断面図。 モノリシックパワーからの画像。

ステッピング モーターを動作させるには、マイクロコントローラー (MCU) またはプロセッサーによって制御される専用のステッピング モーター ドライバー集積回路 (IC) を使用する必要があります。 ステッピング モーター ドライバーは、モーター巻線に電圧を選択的に印加して、ローターの動きを目的の位置に制御します。

ウェーブ モードでのステッピング モーターの制御。 モノリシックパワーからの画像。

3D プリントのコンテキストでは、通常、各軸に少なくとも 1 つのステッピング モーターが使用されます。 X と Y では、ステッピング モーターをベルト システムに取り付けてガントリーを駆動するのが一般的ですが、Z 軸は Z ステージを昇降させるネジに直接取り付けられる場合もあります。

FDM プリンタの場合、ステッピング モータには多くの利点と欠点があります。

ステッピング モーターの主な利点の 1 つは、非常に手頃な価格であるため、消費者向けのデスクトップ FDM プリンターに適した選択肢となっているということです。 さらに、ステッピング モーターには、低速でのトルクが非常に高いという利点があり、3D プリントに最適です。 同様に、ステッパーには保持トルクが高いという利点があります。つまり、印刷の一時停止中に位置を簡単に保持できます。

ステッピング モーターの欠点の 1 つは、モーターの位置精度がモーターの巻線の数によって制限されることです。 さらに状況を混乱させるのは、ステッピング モーターは本質的にフィードバックを提供しないことです。つまり、(エンコーダーを使用せずに) モーターの正確な位置を知ることは不可能です。 これにより、プリントの寸法精度が制限される可能性があります。

さらに、ステッピング モーターは、速度が増加するとトルクが低下するという問題を抱えています。 その結果、ステッピング モーター ベースの 3D プリンターは、印刷速度が増加するにつれて信頼性と精度が低下します。

一方、サーボ モーターは、DC モーター、ギア、制御回路、位置決めフィードバックがすべて 1 つのユニットに組み込まれた電気モーターの一種です。 統合された制御回路と位置フィードバックにより、サーボはステッピング モーターと比較して非常に高い位置精度を実現します。

サーボモーターの断面図。 Sparkfun からの画像。

サーボ モーターを制御するには、パルス幅変調 (PWM) コマンドをモーターに送信する MCU を使用する必要があります。 PWM 制御信号は通常、一連のパルスで構成され、各パルスの持続時間 (幅) によってサーボ モーターの望ましい位置が決まります。

パルス幅の一般的な範囲は 1 ms ～ 2 ms、周期は約 20 ms です。 ほとんどの場合、サーボ モーターの可動範囲は 180 度のみです。

FDM 3D プリンタでは、サーボを使用してプリント ヘッドの X および Y の動き、および Z ステージの昇降を制御します。