Schnell und kosteneffektiv entwickeln Effektive Motorsteuerungen für von 3D-Drucker

Ein wichtiges Krierium für 3D-Drucker: Sie sollen so leise arbeiten, dass sie im Büro nicht stören. Mit der richtigen Motoransteuerung gelingt dies.

Ein 3D-Drucker soll möglichst leise, genau, effizient und mit hoher Präzision arbeiten. Deshalb kommt es auf die Motorsteuerung an.

Sie bildet das Herz des 3D-Druckers und entscheidet schlussendlich über die Qualität des gesamten Geräts. Deshalb hat Trinamic ihre Kunden, die 3D-Drucker herstellen, nach ihren Problemen gefragt, die bei der Entwicklung im Zusammenhang mit der Motorsteuerung auftreten. Das Resultat zeigt: Time-to-Market, die zunehmende Miniaturisierung, die Kostenminimierung, die Motion-Control-Qualität und nicht zuletzt die Schnittstellen sind die Größen, die Designentscheidungen am meisten beeinflussen.

Doch wo drückt die 3D-Drucker-Hersteller der Schuh am meisten? Sie erwarten, dass die Qualität der Motorsteuerung insgesamt steigt und vor allem die Rampengenerierung verbessert wird, um die steigenden Anforderungen an das Endprodukt zu erfüllen zu können. Dabei müssen mehrere Achsen in mehreren Dimensionen synchronisiert werden.

Einer der Kunden, den Trinamic gefragt hat und mit dem die Hamburger eng zusammen arbeiten, ist die spanische BCN3D. Das Unternehmen ging aus einem Projekt der Fundació CIM hervor, ein Technologiezentrum an der Universitat Politècnica de Catalunya (Barcelona Tech), das sich auf F&E und Technologietransfer in der digitalen Fertigung spezialisiert hat.

Zu Anfang der Entwicklung der zweiten Generation des Desktop-Druckers Sigma R17 hatte sich BCN3D zwei Hauptziele gesetzt: die Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erhöhen sowie die Geräusche und Vibrationen zu reduzieren. Denn sie werden sowohl zu Hause als auch im Büro eingesetzt und häufig in unmittelbarer Nähe zum Benutzer platziert. Also sind der geräuscharme Betrieb und die flüssigen Bewegungen des Druckers die wichtigsten Verkaufsargumente – neben einfacher Bedienbarkeit und bestmöglichster Druckqualität.

Noch vor einigen Jahren war es unvorstellbar, dass ein Schrittmotorsystem – erst recht eines, das über mehrere Stunden ständig die Geschwindigkeit ändert – im selben Raum mit dem Benutzer arbeitet. Über nahezu perfekt geformte Sinuswellen macht Trinamic Schrittmotoren jedoch immer leiser, sodass nur noch die Mechaniken und Kugellager zu hören sind.

Darüber hinaus reduzieren neue Kühlstrategien für den R17 mit einem neuen Lüftersystem nicht nur die Geräuschemission. Die reduzierten Vibrationen und Schwingungen erhöhen gleichzeitig auch die Genauigkeit und Oberflächenqualität der Druckteile.

BCN3D entschied sich im Zuge seines neues R17-Druckerdesign für den Schrittmotortreiber des Typs TMC2130 ohne integrierten Motion-Controller. Dieser bietet mit 256 Mikroschritten pro Vollschritt im Vergleich zum Treiber-IC der Vorgeneration mit 1/32-Mikroschritten eine deutlich höhere Mikroschrittrate. Die Interpolation von einem Eingangssignal mit 16 Mikro­schritten hält die Update-Rate, die der Mikrocontroller zu leisten hat, im Rahmen.

Dies ermöglicht eine wesentlich gleichmäßigere Bewegung des Motors als mit anderen Treiber-ICs, ohne die Schrittgeschwindigkeit zu beeinflussen. Darüber hinaus reduziert der neue Treiber-IC den Geräuschpegel dank der Steuerung des Motorwicklungsstroms erheblich.
Genau wie die anderen Produkte der TMC2130-Familie einschließlich des neuen TMC5160 lässt der Schrittmotortreiber einen Schrittmotor mit bis zu 256 (8 bit) Mikroschritten pro Vollschritt zu. Wie in Bild 2 dargestellt, wird durch diese hohe Mikroschrittauflösung der Rotor des Motors nun in deutlich kleineren Winkeln beziehungsweise Abständen bewegt, wodurch sich Oszillation und damit Rauschen reduziert.

10 dB unter klassischer Stromregelung

Während das Mikroschrittverfahren einen großen Teil der durch niedrige Schrittauflösungen verursachten Schwingungen reduziert, werden andere Vibrationsquellen bei hohen Mikroschritt-Auflösungen verstärkt wahrnehmbar. Fortschrittliche stromgesteuerte PWM-Chopper-Modi wie zum Beispiel SpreadCycle von Trinamic reduzieren Vibrationen bereits weitgehend. Dieser Modus ist für höhere Geschwindigkeiten geeignet und stellte bei seiner Markteinführung eine deutliche Verbesserung gegenüber den vorher gebräuchlichen Chopper-Verfahren mit konstanter Off-Zeit dar.

Denn die in der Hardware implementierte SpreadCycle-Technologie kompensiert die Gegen-EMK und vermeidet Resonanzen, was für eine bisher nicht gekannte Laufruhe sorgt, auch bei hohen Drehzahlen. Allerdings generiert die Stromregelung speziell beim langsamen Lauf Geräusche. Diese werden durch die Anregung der Motorspulen und das Rauschen von einigen Millivolt an den Messwiderständen und PWM-Jitter verursacht. Besonders für High-End-Anwendungen, Anwendungen mit langsamer bis mittlerer Geschwindigkeit und Anwendungen mit unerwünschter Geräuschentwicklung ist dies von entscheidender Bedeutung.