스테퍼 모터와 서보 모터: 무엇이 더 나은 FDM 3D 프린터를 만드는가?

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FDM 3D 프린터의 내부를 살펴보면 모두 인쇄 프로세스를 제어하기 위해 일종의 모터에 의존한다는 것을 알 수 있습니다. 프린트 헤드 이동, Z 스테이지 올리기 및 내리기, 압출기를 통한 필라멘트 이동 등 모터는 FDM 공정에서 필수적인 부분입니다.

이 중에서 FDM 프린터에서 발견되는 가장 표준적인 두 가지 모터 형태는 스테퍼 모터 및/또는 서보 모터입니다. 두 유형 모두 동일한 최종 결과를 달성하지만 두 유형 사이에는 서로 다른 제품 유형에 더 적합하도록 만드는 상당한 차이가 있습니다.

이 글에서는 스테퍼 모터와 서보 모터를 모두 살펴보고 차이점과 FDM 프린터에서의 역할을 이해하겠습니다.

스테퍼 모터는 고정된 각도의 증분 단계로 회전하는 모터 형태입니다. 이러한 모터는 고정자 내부에 위치한 단일 회전 샤프트(즉, 회전자)로 구성됩니다. 고정자 자체는 균일한 간격으로 배치된 다수의 톱니로 구성되며 각 톱니는 모터 권선으로 알려진 코일형 와이어로 둘러싸여 있습니다. 모터 권선은 전자석 역할을 합니다. 즉, 전원이 공급되면(즉, 전압이 인가되면) 자화되어 회전자를 전원이 공급된 코일로 끌어당깁니다.

스테퍼 모터의 단면. Monolithic Power의 이미지.

스테퍼 모터를 작동하려면 마이크로컨트롤러(MCU) 또는 프로세서에 의해 제어되는 전용 스테퍼 모터 드라이버 집적 회로(IC)를 사용해야 합니다. 스테퍼 모터 드라이버는 모터 권선에 선택적으로 전압을 적용하여 원하는 위치로 회전자의 움직임을 제어합니다.

웨이브 모드에서 스테퍼 모터를 제어합니다. Monolithic Power의 이미지.

3D 프린팅의 맥락에서 일반적으로 각 축에 대해 하나 이상의 스테퍼 모터를 찾을 수 있습니다. X 및 Y의 경우 스테퍼 모터를 벨트 시스템에 부착한 다음 갠트리를 구동하는 것이 일반적이며, Z축은 나사에 직접 부착하여 Z 스테이지를 올리거나 내릴 수 있습니다.

FDM 프린터의 경우 스테퍼 모터는 여러 가지 장점과 단점을 제공합니다.

스테퍼 모터의 주요 장점 중 하나는 가격이 매우 저렴하여 소비자용 데스크탑 FDM 프린터에 적합하다는 것입니다. 또한 스테퍼 모터는 저속에서 매우 높은 토크를 제공하는 장점이 있어 3D 프린팅에 이상적입니다. 마찬가지로 스테퍼는 높은 유지 토크라는 장점이 있습니다. 즉, 인쇄가 일시 중지되는 동안 쉽게 위치를 유지할 수 있습니다.

스테퍼 모터의 한 가지 단점은 모터의 위치 정확도가 모터의 권선 수에 의해 제한된다는 것입니다. 설상가상으로 스테퍼 모터는 본질적으로 피드백을 제공하지 않습니다. 즉, 모터의 정확한 위치를 아는 것이 불가능합니다(인코더를 사용하지 않고). 이로 인해 인쇄물의 치수 정확도가 제한될 수 있습니다.

또한 스테퍼 모터는 속도가 증가함에 따라 토크가 감소한다는 사실로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 그 결과 스테퍼 모터 기반 3D 프린터는 인쇄 속도가 증가함에 따라 신뢰성과 정확성이 떨어집니다.

반면, 서보 모터는 DC 모터, 기어, 제어 회로 및 위치 피드백이 모두 하나의 장치에 포함된 전기 모터 형태입니다. 통합 제어 회로와 위치 피드백으로 인해 서보는 스테퍼 모터에 비해 매우 높은 위치 정확도를 제공합니다.

서보 모터의 단면. Sparkfun의 이미지.

서보 모터를 제어하려면 펄스 폭 변조(PWM) 명령을 모터에 보내는 MCU를 사용해야 합니다. PWM 제어 신호는 일반적으로 일련의 펄스로 구성되며, 각 펄스의 지속 시간(폭)에 따라 서보 모터의 원하는 위치가 결정됩니다.

펄스 폭의 일반적인 범위는 1ms ~ 2ms이며 주기는 약 20ms입니다. 대부분의 경우 서보 모터의 동작 범위는 180도뿐입니다.

FDM 3D 프린터에서 서보는 프린트 헤드의 X 및 Y 이동은 물론 Z 스테이지의 상승 및 하강을 제어하는 ​​데 사용됩니다.