Обзор контроллеров 3D-печати

В данном обзоре представлены три серийно выпускаемых компаниями STMicroelectronics и Texas Instruments решения для управления 3D-печатью, которые позволяют сделать эту инновационную технологию более доступной, помогут создавать устройства 3D-печати под собственные требования и задачи.
4670
В избранное

Технология аддитивного или послойного наплавления пластмасс, более известная сегодня как 3D-печать, позволяет быстро и оперативно изготавливать как отдельные детали, так и целые изделия самой разнообразной формы и назначения. На рынке можно найти разнообразные типы и модели принтеров, способные создавать детали строго заданной формы и размера из различных материалов. Однако стоимость их по-прежнему достаточно высока, что служит дополнительным стимулом для конструирования любительских аддитивных систем на базе доступных по отдельности комплектующих.

В данном обзоре представлены три серийно выпускаемых компаниями STMicroelectronics и Texas Instruments решения для управления 3D-печатью, которые позволяют сделать эту инновационную технологию более доступной, помогут создавать устройства 3D-печати под собственные требования и задачи.

Плата STEVAL-3DP001V1 для управления 3D-принтером

STEVAL-3DP001V1 представляет собой полностью завершенное комплексное решение производства компании STMicroelectronics, поставляемое в виде платы с поддержкой необходимого программного обеспечения. STEVAL-3DP001V1 позволяет управлять разными моделями современных 3D-принтеров, включая требующие повышенной вычислительной мощности модели типа Delta. Эта система управления идеально подходит как для новичков, только открывающих для себя мир 3D-печати, так и для опытных специалистов. Созданная на основе 32-разрядного микроконтроллера на ядре ARM Cortex M4 автономная система управления может использоваться как с программным интерфейсом, так и с пользовательскими прошивками.

Плата STEVAL-3DP001V1, представленная на рисунке 1, разработана для управления многоосевыми 3D-принтерами (поддержка до 6 двигателей) с  использованием 1…3 экструдеров и 1…3 зон нагрева стола.

STEVAL-3DP001V1

Рис. 1. STEVAL-3DP001V1

Использование беспроводного интерфейса Wi-Fi позволяет управлять 3D-принтером с планшета или смартфона. При этом можно работать с такими распространенными программными инструментами для 3D-печати как Pronterface. Интерфейс USB доступен через виртуальный COM-порт, а также разъемы USB OTG и USB A. Разработчики оценят также наличие удобного инструмента для отладки STLINK/V2.

STEVAL-3DP001V1 позволяет подключать внешние платы, например, Raspberry Pi или пользовательское устройство, обеспечивая для них питание 5 и 3,3 В и цифровые интерфейсы - SPI, I2C, ADC, GPIOS, SD, USB.

Основные характеристики STEVAL-3DP001V1:

  • Совместимость с новейшим поколением 3D-принтеров:
    • поддержка нескольких экструдеров (до 3 шт.): 12 В/ до 8 A, контроль температуры и управление вентилятором охлаждения, LED-индикатор,
    • упрощенное подключение разнообразной периферии,
    • повышенная выходная мощность для высокотемпературной камеры и нескольких зон нагрева стола: 12 В или 24 В/ до 20 A, контроль температуры, LED-индикатор;
  • Использование полевых транзисторов (MOSFET) со сверхнизким сопротивлением открытого канала (Rds(on)), обеспечивающее повышенный выходной ток при незначительных размерах платы;
  • Программная прошивка с открытым исходным кодом;
  • Поддержка периферийных устройств:
    • встроенные модули USB и micro SD,
    • встроенный модуль Wi-Fi для связи с сетью и сервером,
    • внешний-ЖК дисплей/ клавиатура;
  • Драйвер управления шаговыми двигателями ST SPIN L6474, обладающий уникальными характеристиками по выходному току и защите (до 6 осей, ток в фазе до 3 A, микрошаговый цифровой конечный ограничитель);
  • Встроенная система отладки STLINK/V2;
  • Соответствие требованиям RoHS по содержанию вредных и опасных веществ.

К плате можно подключить до трех зон подогрева с раздельным управлением и общим потребляемым током до 20 А. Для оперативной наладки и упрощенного контроля работы на плате предусмотрена светодиодная индикация. По свечению многочисленных светодиодов (рисунок 2) можно судить о рабочем состоянии платы и ее взаимодействии с компьютером и периферийным оборудованием.

Монтажная плата STEVAL-3DP001V1 с расположением индикаторных светодиодов

Рис. 2. Монтажная плата STEVAL-3DP001V1 с расположением индикаторных светодиодов

Для подключения источников питания, шаговых двигателей, нагревателей и вентиляторов на плате предусмотрены винтовые зажимные клеммы. 40-контактный разъемный соединитель позволяет подключать концевые датчики по осям перемещения, сигналы обратной связи от термодатчиков, сигналы управления, интерфейсы. Напряжение питания составляет 5 В и 3,3 В.

Архитектура Marlin4ST

Рис. 3. Архитектура Marlin4ST

Простота использования и поддержка принципа «Plug& Play» стали возможными во многом благодаря фирменному программному обеспечению Marlin4ST, которое позволяет вести печать с использованием G-кодов через интерфейсы UART, SD или Wi-Fi, используя прикладные программы Pronterface, Repetier Host или OctoPrint. Представленная на рисунке 3 архитектура Marlin4ST включает в себя драйверные компоненты, взаимодействующие со средой разработки STM32Cube, а также связующий уровень (Middleware) и уровень приложения (Application) с пользовательскими командами. Удобное и подробно описанное в документации программное обеспечение Marlin4ST упрощает и ускоряет работу с платой STEVAL-3DP001V1.

Отметитм, что предлагаемое STMicroelectronics типовое решение STEVAL-3DP001V1 выглядит как хорошо продуманная на аппаратном и программном уровне полнофункциональная система управления 3D-печатью.

Комплект TIDM-PRINTERPACK для управления 3D-принтером

Для непосредственного управления исполнительными механизмами 3D-принтера компания TI предлагает простое типовое решение в виде платы (Boosterpack, по терминологии компании) TIDM-PRINTERPACK, которая совместно с контроллерной платой MSP-EXP430F5529LP из семейства LaunchPad образует полноценную систему управления. Платы соединяются друг с другом через два 20-контактных разъема с гнездами на PRINTERPACK и длинными штырями на LaunchPad.

Особенностью этого предложения является то, что в действительности комплект TIDM-PRINTERPACK доступен в виде набора электронных компонентов (BOM- Bill of Materials) и свободно скачиваемых с сайта компании программного обеспечения и файлов для изготовления печатной платы.

TIDM-PRINTERPACK

Рис. 4. TIDM-PRINTERPACK

Внешний вид собранной платы TIDM-PRINTERPACK представлен на рисунке 4, а назначение отдельных разъемов - на рисунке 5. Эта небольшая плата работает под управлением платы LaunchPad, которая создана на основе MSP430F5529 - 16-разрядного микроконтроллера со сверхнизким энергопотреблением, имеющего 128 кбайт Flash и 8 кбайт RAM-памяти, 12-разрядный АЦП и таймеры. Также имеется несколько интегрированных последовательных интерфейсов, включая порт USB.

Хотя Printerpack может использовать любую из 40-контактных плат LaunchPad, именно модель MSP-EXP430F5529LP Rev1.5 была выбрана при разработке программной прошивки Tonokip. В качестве среды разработки при рабочем тестировании фирменных плат использовалась Energia версии 0101E0012.

Подключения к плате PRINTERPACK

Рис. 5. Подключения к плате PRINTERPACK

На рисунке 6 представлена блок-схема, демонстрирующая взаимодействие основных узлов PRINTERPACK и LaunchPad. Для управления экструдером и перемещениями по осям X, Y и Z используются драйверы шагового двигателя DRV8825 с пиковым током 2,5 А. Три МОП-транзистора CSD18534KCS с максимальным током 100 А использованы для регулирования нагрева экструдера и рабочей зоны стола, а также для управления вентилятором охлаждения.

Блок-схема PRINTERPACK

Рис. 6. Блок-схема PRINTERPACK

MSP430F5529 получает цифровые сигналы обратной связи от шести ограничителей перемещения по осям Х, Y, Z и аналоговые данные от термодатчиков экструдера и рабочей зоны стола. Датчики не входят в комплект набора.

Стабилизированный регулятор напряжения UA78M33 типа LDO с выходными параметрами 3,3 В/0,5 A имеет защиту от превышения тока и рабочей температуры, он используется для питания микросхем и датчиков PRINTERPACK. На драйверы DRV8825 и транзисторы CSD18534KCS поступает нестабилизируемое входное напряжение 12 В от внешнего источника питания.

Для настройки защиты каждого шагового двигателя от превышения тока имеется отдельный потенциометр.

Основные характеристики TIDM-PRINTERPACK:

  • четыре драйвера DRV8825 для управления экструдером и шаговыми двигателями по осям X, У и Z;
  • защита двигателей от превышения тока;
  • три N-канальных полевых транзистора CSD18534KCS для управления вентилятором, нагревательными элементами экструдера и зоны печати;
  • протестированная совместимость с разнообразным программным обеспечением, включая Pronterface и Repetier;
  • слот для карты microSD, позволяющий вести печать без подключения к компьютеру;
  • протестированное решение для создания системы управления 3D-печатью со встроенным программным обеспечением, руководством пользователя и файлами для изготовления печатной платы.

Удобное расположение разъемов и готовое встроенное программное обеспечение позволят разработчику быстро создать недорогой 3D-принтер. Несмотря на то, что изначально плата создавалась как недорогой контроллер для управления 3D-принтером, наличие четырех драйверов шаговых двигателей на базе DRV8825 позволяет применить данное решение в любых системах управления шаговыми двигателями. В процессе тестирования TIDM-PRINTERPACK использовались запускаемые на компьютере программы для 3D-печати Pronterface и Repetier-Host.

Комплект TIDA-00405 для управления 3D-принтером

Другим типовым решением компании TI для непосредственного управления процессом 3D-печати является комплект TIDA-00405, представляющий собой, как и в случае TIDM-PRINTERPACK, плату BoosterPack. TIDA-00405, работающую под управлением материнской платы MSP430F5529 из семейства LaunchPad. Рабочий комплект в сборе из этих двух плат представлен на рисунке 7.

TIDA-00405 в сборе с управляющей платой LaunchPad

Рис. 7. TIDA-00405 в сборе с управляющей платой LaunchPad

Плата TIDA-00405 также предназначена для управления работой экструдера и механизма перемещения по трем осям с использованием шаговых двигателей. Она лишь незначительно отличается от платы PRINTERPACK за счет использования менее мощных полевых транзисторов и драйверов шаговых двигателей. Кроме того, если в TIDA-00405 предлагается использовать датчики Холла DRV5033 для контроля конечных позиций, то для платы PRINTERPACK на этот счет нет прямых указаний. Хотя, в обоих случаях датчики конечного положения не включены в перечень предлагаемых комплектующих.

Блок-схема TIDA-00405

Рис. 8. Блок-схема TIDA-00405

Блок-схема основных функций TIDA-00405 представлена на рисунке 8. В качестве драйверов осевых шаговых двигателей и экструдера здесь выбраны DRV8846 с пиковым выходным током 1,4 А. Три МОП-транзистора CSD18534Q5A с максимальным током 50 А использованы для контролируемого питания нагревателей стола и экструдера, а также вентилятора охлаждения.

Наиболее заметным отличием TIDA-00405 является наличие в комплекте готовой печатной платы устройства, тогда как в PRINTERPACK ее предлагается изготовить на основе имеющихся конструкторских файлов. В процессе разработки рабочего прототипа шесть датчиков Холла DRV5033 использовались в качестве бесконтактного концевого выключателя, реагирующего на магниты, устанавливаемые на движущейся раме. Функции контроллера возложены все на ту же материнскую плату MSP430F5529 LaunchPad.

На рисунке 9 представлен прошедший испытания прототип 3D-печатающего устройства на базе TIDA-00405 и MSP430F5529 LaunchPad.

Рабочий прототип 3D-печатающего устройства с использованием TIDA-00405

Рис. 9. Рабочий прототип 3D-печатающего устройства с использованием TIDA-00405

Основные характеристики TIDA-00405:

  • Система управления, обеспечивающая управление шаговыми двигателями 3D-принтера, имеющая выходы для подключения нагревателей, входы для датчиков ограничения перемещения и слот для карт памяти SD;
  • Система управления прецизионными шаговыми двигателями на основе драйверов DRV8846;
  • Бесконтактные концевые выключатели на основе датчиков Холла, не подверженные механическому износу и работоспособные при загрязнении;
  • Электропитание нагревателей через CSD18534Q5A с низким сопротивлением открытого канала Rds(ON) 7,8 мОм;
  • Питание платы от одного источника 12 В;
  • Система 3D-печати на основе TIDA-00405, прошедшая полный цикл испытаний в лабораторных условиях.

Типовое решение TIDA-00405 в виде набора электронных компонентов и печатной платы позволяет быстро собрать собственную заранее отлаженную систему управления 3-осевым 3D-принтером.

Заключение

Возможности технологии 3D-печати постоянно расширяются, а ее востребованность растет. Сегодня 3D-печать находит применение в конструкторских бюро, на небольших предприятиях, в научных и учебно-образовательных учреждениях и в домашних мастерских.

Появление новых, заранее проверенных в лабораторных условиях, готовых типовых решений позволяет содействовать внедрению этой технологии в производство, образование и бытовую сферу.

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ST-LINK/V2
ST-LINK/V2
STMicroelectronics
Арт.: 684603 ИНФО PDF AN
Доступно: 104 шт. от: 2840 руб.
Key Features ?5 V power supplied by a USB connector ?USB 2.0 full-speed-compatible interface ?USB standard A to Mini- B cable ?SWIM specific features…
ST-LINK/V2 от 2840,00 от 2 шт. 2440,00 от 4 шт. 2190,00 от 7 шт. 2030,00 от 18 шт. 1930,00
104 шт.
(на складе)
STEVAL-3DP001V1
STEVAL-3DP001V1
STMicroelectronics
Арт.: 2575126 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
The STEVAL-3DP001V1 is a complete and integrated solution for driving all 3D printers on the market, including Delta models requiring more complex computation.
STEVAL-3DP001V1
-
Поиск
предложений
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MSP-EXP430F5529LP
MSP-EXP430F5529LP
Texas Instruments
Арт.: 1204034 ИНФО PDF RD
Доступно: 117 шт. от: 1740 руб.
MSP-EXP430F5529LP – бюджетная макетная плата серии LaunchPad позволит в кратчайшие сроки изучить возможности микроконтроллера MSP430F5529 и начать создавать на его основе собственные решения
MSP-EXP430F5529LP от 1740,00 от 3 шт. 1490,00 от 6 шт. 1340,00 от 12 шт. 1240,00 от 29 шт. 1180,00
9 шт.
(на складе)
108 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()