Moteurs pas à pas ou servomoteurs : qu'est-ce qui fait une meilleure imprimante 3D FDM ?

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Lorsque vous regardez sous le capot d’une imprimante 3D FDM, vous constaterez qu’elles s’appuient toutes sur une forme ou une autre de moteur pour contrôler le processus d’impression. Qu'il s'agisse de déplacer la tête d'impression, d'élever et d'abaisser l'étage Z ou de déplacer le filament dans une extrudeuse, les moteurs font partie intégrante du processus FDM.

Dans ce cadre, les deux formes de moteurs les plus standards trouvées dans une imprimante FDM sont les moteurs pas à pas et/ou les servomoteurs. Bien que les deux types obtiennent le même résultat final, il existe des différences significatives entre les deux qui les rendent mieux adaptés à différents types de produits.

Dans cet article, nous examinerons les moteurs pas à pas et les servomoteurs pour comprendre leurs différences et leur rôle dans les imprimantes FDM.

Les moteurs pas à pas sont une forme de moteur qui tourne par pas incrémentiels d'un degré fixe. Ces moteurs sont constitués d'un seul arbre rotatif (c'est-à-dire un rotor) positionné à l'intérieur d'un stator. Le stator lui-même est constitué d'un certain nombre de dents régulièrement espacées, chacune étant entourée d'un fil enroulé appelé enroulement du moteur. Les enroulements du moteur agissent comme des électroaimants : lorsqu'ils sont alimentés (c'est-à-dire qu'une tension leur est appliquée), ils se magnétisent et attirent le rotor vers la bobine alimentée.

Coupe transversale d'un moteur pas à pas. Image de Monolithic Power.

Le fonctionnement d'un moteur pas à pas nécessite l'utilisation d'un circuit intégré (IC) de pilote de moteur pas à pas dédié qui est contrôlé par un microcontrôleur (MCU) ou un processeur. Le pilote du moteur pas à pas applique sélectivement des tensions aux enroulements du moteur pour contrôler le mouvement du rotor vers la position souhaitée.

Contrôler un moteur pas à pas en mode vague. Image de Monolithic Power.

Dans le cadre de l'impression 3D, vous trouverez généralement au moins un moteur pas à pas pour chaque axe. Pour X et Y, il est courant que les moteurs pas à pas soient fixés à un système de courroie qui entraîne ensuite un portique, tandis que l'axe Z peut être directement fixé à une vis pour monter/abaisser l'étage Z.

Pour les imprimantes FDM, les moteurs pas à pas offrent un certain nombre d'avantages et d'inconvénients.

L’un des principaux avantages des moteurs pas à pas est qu’ils sont très abordables, ce qui en fait un bon choix pour les imprimantes FDM de bureau grand public. De plus, les moteurs pas à pas présentent l’avantage d’un couple extrêmement élevé à basse vitesse, ce qui est idéal pour l’impression 3D. De la même manière, les steppers ont l'avantage d'un couple de maintien élevé, ce qui signifie qu'ils peuvent facilement maintenir leur position pendant les pauses d'impression.

L’inconvénient d’un moteur pas à pas est que la précision de positionnement du moteur est limitée par le nombre d’enroulements du moteur. Pour rendre les choses encore plus confuses, les moteurs pas à pas n'offrent pas automatiquement de retour, ce qui signifie qu'il est impossible de connaître la position exacte du moteur (sans l'utilisation d'un encodeur). Cela peut limiter la précision dimensionnelle des impressions.

De plus, les moteurs pas à pas souffrent du fait que leur couple diminue à mesure que la vitesse augmente. Le résultat est que les imprimantes 3D basées sur un moteur pas à pas perdent en fiabilité et en précision à mesure que leur vitesse d’impression augmente.

Les servomoteurs, quant à eux, sont une forme de moteur électrique composé d'un moteur à courant continu, d'engrenages, de circuits de commande et d'un retour de positionnement, le tout regroupé dans une seule unité. Grâce aux circuits de commande intégrés et au retour de positionnement, les servos offrent une précision de position extrêmement élevée par rapport aux moteurs pas à pas.

Coupe transversale d'un servomoteur. Image de Sparkfun.

Le contrôle d'un servomoteur nécessite l'utilisation d'un MCU qui envoie des commandes de modulation de largeur d'impulsion (PWM) au moteur. Le signal de commande PWM consiste généralement en une série d'impulsions, où la durée (largeur) de chaque impulsion détermine la position souhaitée du servomoteur.

La plage typique de la largeur d'impulsion est de 1 ms à 2 ms, avec une période d'environ 20 ms. Dans la plupart des cas, les servomoteurs n'ont qu'une amplitude de mouvement de 180 degrés.

Dans les imprimantes 3D FDM, les servos sont utilisés pour contrôler le mouvement X et Y de la tête d'impression ainsi que la montée et la descente de l'étage Z.