Ідентифікація прошивки 3D-принтера із застосуванням безщіткового серводвигуна постійного струму з методом покрокового зчитування та виконання G-коду

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341225

Ключові слова:

великомасштабний 3D-друк, покрокове виконання G-коду, прошивка безщіткового сервоприводу постійного струму, керування рухом ESP32, високошвидкісне адитивне виробництво

Анотація

Об’єктом цього дослідження є великомасштабний декартовий 3D-принтер з об’ємом друку 2 × 2 × 2 метри, оснащений серводвигунами BLDC по осях X та Y, кроковим двигуном NEMA 34 по осі Z та кроковим двигуном NEMA 17 для екструзії філаменту. Основна проблема, яку було вирішено, полягає в обмеженні існуючої прошивки, яка підтримує лише біполярні крокові двигуни (стандарт NEMA), що робить її непридатною для досягнення вищих швидкостей екструдера, необхідних для широкоформатного друку. Щоб подолати цю проблему, було розроблено нову прошивку для підтримки безщіткових серводвигунів постійного струму (BLDC), що забезпечує швидше, стабільніше та точніше керування рухом.

Розроблена прошивка, заснована на мікроконтролері ESP32, крок за кроком обробляє інструкції G-коду, обчислює команди двигуна та передає їх драйверам двигуна BLDC (FSESC 4.12 на платформі VESC) зі зворотним зв’язком від енкодера для точного позиціонування. Експериментальні результати продемонстрували надійну синхронізацію осей X та Y на різних швидкостях та відстанях, із середніми похибками позиціонування 0,9% по осі X та 1,03% по осі Y. Система стабільно працювала в діапазоні швидкостей обертання F8000–F54000 (1000–7000 об/хв) та діапазоні швидкостей друку 92–800 мм/с, що підтверджує здатність прошивки обробляти як низькошвидкісні, так і високошвидкісні операції.

Відзначене швидке прискорення, точність та стабільність порівняно з системами на основі крокових двигунів. Відмінною особливістю цієї роботи є адаптація виконання кроків G-коду для двигунів BLDC, що не було широко реалізовано в існуючих прошивках для 3D-друку. Практичне значення результатів полягає в потенційному застосуванні цієї прошивки у великомасштабних та високошвидкісних 3D-принтерах. Це робить цей підхід надзвичайно актуальним для передових виробничих галузей, де точність, масштабованість та ефективність є критично важливими

Біографії авторів

Budhy Setiawan, State Polytechnic of Malang

Master of Electrical Engineering, Professor

Department of Electric Engineering

Indrazno Siradjuddin, State Polytechnic of Malang

Master of Electrical Engineering, Doctor

Department of Electric Engineering

Resti Dyah Ayu Retno Palupi, State Polytechnic of Malang

Master of Electrical Engineering, Student

Department of Electric Engineering

Посилання

  1. Audiana, V. U., Setiawan, B., Sumari, A. D. W., Wibowo, S. (2021). Control position of the double nozzles on the Y (+) and Y (-) axis of 3D symmetric bilateral printing using G-Code. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1073 (1), 012072. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1073/1/012072
  2. Zhang, J. (2025). Application of CNC Technology in Automated Machinery Manufacturing. Highlights in Science, Engineering and Technology, 126, 151–154. https://doi.org/10.54097/3bptq021
  3. Yavartanoo, M., Hong, S., Neshatavar, R., Lee, K. M. (2024). CNC-Net: Self-Supervised Learning for CNC Machining Operations. 2024 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 9816–9825. https://doi.org/10.1109/cvpr52733.2024.00937
  4. Montalti, A., Ferretti, P., Santi, G. M. (2024). From CAD to G-code: Strategies to minimizing errors in 3D printing process. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 55, 62–70. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2024.09.005
  5. Hao, X., Xia, G., Zhang, S., Zhou, Z., Du, M., Ding, X. (2022). Study of metal 3D printing stepper motor control based on S- trapezoid algorithm. 2022 5th World Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Manufacturing (WCMEIM), 1107–1111. https://doi.org/10.1109/wcmeim56910.2022.10021403
  6. Simeonov, S. M., Maradzhiev, I. P. (2023). Improving the print quality of a budget 3D FDM printer by replacing the factory-installed stepper motor drivers. 2023 XXXII International Scientific Conference Electronics (ET), 1–6. https://doi.org/10.1109/et59121.2023.10279569
  7. Setiawan, B., Siradjuddin, I., Dewi Fashihah, R. L., Ayu Retno Palupi, R. D., Elyas Ageed, O. S. (2024). BLDC Servo Motor System with Gradient and Ratio Method to Increase Extruder Movement Speed on 3D Printing. 2024 International Conference on Electrical and Information Technology (IEIT), 7–13. https://doi.org/10.1109/ieit64341.2024.10763184
  8. Son, Y.-D., Kim, H.-J., Kim, J.-M. (2025). Sensorless control method of a delta winding brushless DC motor using a state observer. Journal of Power Electronics, 25 (2), 260–270. https://doi.org/10.1007/s43236-024-00954-7
  9. Yeom, H. (2018). The BLDC and Stepping Motor Control Firmware Programming to Improve Efficiency of SVF Extraction. International Journal of Engineering and Technology.
  10. Farina, M. D. O., Pohren, D. H., Roque, A. dos S., Silva, A., Da Costa, J. P. J., Fontoura, L. M. et al. (2024). Hardware-Independent Embedded Firmware Architecture Framework. Journal of Internet Services and Applications, 15 (1), 14–24. https://doi.org/10.5753/jisa.2024.3634
  11. Li, X. (2022). G-Code Re-compilation and Optimization for Faster 3D Printing. Languages and Compilers for Parallel Computing, 104–116. https://doi.org/10.1007/978-3-030-95953-1_8
  12. Rais, M. H., Ahsan, M., Ahmed, I. (2024). SOK: 3D Printer Firmware Attacks on Fused Filament Fabrication. Proceedings of the 18th USENIX WOOT Conference on Offensive Technologies. Available at: https://www.usenix.org/system/files/woot24-rais.pdf
  13. Bukhari, S. B. H., Tanveer, T., Abid, A., Anwar, S. (2023). Design and Fabrication of Inexpensive Portable Polar 3D Printer. 2023 International Conference on Robotics and Automation in Industry (ICRAI), 1–6. https://doi.org/10.1109/icrai57502.2023.10089592
  14. Zandberg, K., Schleiser, K., Acosta, F., Tschofenig, H., Baccelli, E. (2019). Secure Firmware Updates for Constrained IoT Devices Using Open Standards: A Reality Check. IEEE Access, 7, 71907–71920. https://doi.org/10.1109/access.2019.2919760
  15. Peng, F., Yang, J., Long, M. (2019). 3-D Printed Object Authentication Based on Printing Noise and Digital Signature. IEEE Transactions on Reliability, 68 (1), 342–353. https://doi.org/10.1109/tr.2018.2869303
  16. Zhu, X., Li, Q., Zhang, P., Chen, Z. (2019). A Firmware Code Gene Extraction Technology for IoT Terminal. IEEE Access, 7, 179591–179604. https://doi.org/10.1109/access.2019.2959089
  17. Ferrando-Rocher, M., Herranz-Herruzo, J. I., Valero-Nogueira, A., Bernardo-Clemente, B. (2018). Performance Assessment of Gap-Waveguide Array Antennas: CNC Milling Versus Three-Dimensional Printing. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 17 (11), 2056–2060. https://doi.org/10.1109/lawp.2018.2833740
  18. Hasan, Md. M., Khan, Md. R., Noman, A. T., Rashid, H., Ahmed, N., Reza, S. M. T. (2019). Design and Implementation of a Microcontroller Based Low Cost Computer Numerical Control (CNC) Plotter using Motor Driver Controller. 2019 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE), 1–5. https://doi.org/10.1109/ecace.2019.8679123
  19. Luo, R. C., Hsu, L. C., Hsiao, T. J., Perng, Y. W. (2020). 3D Digital Manufacturing via Synchronous 5-Axes Printing for Strengthening Printing Parts. IEEE Access, 8, 126083–126091. https://doi.org/10.1109/access.2020.3007772
  20. Hoque, Md. M., Jony, Md. M. H., Hasan, Md. M., Kabir, M. H. (2019). Design and Implementation of an FDM Based 3D Printer. 2019 International Conference on Computer, Communication, Chemical, Materials and Electronic Engineering (IC4ME2), 1–5. https://doi.org/10.1109/ic4me247184.2019.9036538
  21. Beckwith, C., Naicker, H. S., Mehta, S., Udupa, V. R., Nim, N. T., Gadre, V. et al. (2022). Needle in a Haystack: Detecting Subtle Malicious Edits to Additive Manufacturing G-Code Files. IEEE Embedded Systems Letters, 14 (3), 111–114. https://doi.org/10.1109/les.2021.3129108
  22. Kholodilov, A. A., Faleeva, E. V., Kholodilova, M. V. (2020). Analysis of the Technology of Transfering a Three-Dimensional Model from Cad Format to the Control Code For 3D Printing. 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), 1–5. https://doi.org/10.1109/fareastcon50210.2020.9271241
  23. Maravi R, D. A., Iparraguirre O, G. M., Prado G, S. R. (2020). Implementation of a Digital PID Control for the Compensation of Loss Steps from CORE XY 3D Printer Motors Working at High Speeds. 2020 IEEE ANDESCON, 1–6. https://doi.org/10.1109/andescon50619.2020.9272178
Ідентифікація прошивки 3D-принтера із застосуванням безщіткового серводвигуна постійного струму з методом покрокового зчитування та виконання G-коду

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-30

Як цитувати

Setiawan, B., Siradjuddin, I., & Palupi, R. D. A. R. (2025). Ідентифікація прошивки 3D-принтера із застосуванням безщіткового серводвигуна постійного струму з методом покрокового зчитування та виконання G-коду. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(1 (137), 111–123. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341225

Номер

Том 5 № 1 (137) (2025): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Budhy Setiawan, Indrazno Siradjuddin, Resti Dyah Ayu Retno Palupi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.