Problemas con los sistemas de alimentación multicolor y cómo solventarlos

Esto está basado en mis constantes problemas con el AMS de Bambulab y el "tira y afloja" por parte del servicio técnico quienes siguen sin modificar el firmware para programar y generar una serie de ordenes y gcodes para evitar que el rollo de filamento choque contra la tapa, mientras queda poco filamento en el rollo, o se atasque el filamento entre el AMS y la X1 Carbon.

Basado en una conversación con ChatGPT, a continuación expongo una serie de formulas físicas para el calculo y la programación del sistema de control de la velocidad de alimentación (FSC = "Feeding Speed Control") que no es más que regular la velocidad de alimentación en las cargas y descargas de filamento y durante la impresión, a través del firmware, de los alimentadores de la primera etapa y basandose en la cantidad remante en gramos de filamento y la tensión máxima que puede aguantar dicho filamento sin romperse. 

Esto no se aplica para filamentos flexibles, ni abrasivos, ni con aditivos ya que la alimentación se hace de manera manual y es el extrusor el que decide, a través de las retracciones, la velocidad de giro y la cantidad de flujo volumetrico que se necesita para imprimir una pieza ni tampoco se aplica si el filamento está sobre un soporte de carton ya que nos daría un valor más pequeño de la velocidad minimo de alimentación debido a su ligereza.

Tambien tenemos que tener en cuenta que, cada filamento de diferentes fabricantes, pueden variar ligeramente los datos de la tensión máxima que puede aguantar el filamento sin romperse debido a que la calidad puede variar.

Velocidad minima de alimentación

1. Datos Básicos (Vamos a poner de ejemplo PLA pero se aplica igual a otros filamentos):

Masa del rollo: 1 kg + peso del soporte del rollo de filamento de plastico.

Radio del rollo (estandar): 20 cm (0.2 m)

Resistencia a la tracción del PLA: 35 MPa (35,000,000 Pa)

2. Velocidad Angular Máxima Estática

Usamos la fórmula de la fuerza centrífuga:

F = m * r * w^2   →   w_max = sqrt(F / (m * r))

Sustituyendo:

w_min = sqrt(35 / (1 * 0.2)) = sqrt(250) ≈ 13.23 rad/s

Eso equivale a unos 126.33 RPM basado en la formula de conversión:

RPM= w_min*60/2*π

que no es la máxima velocidad que tiene el motor que habría que hacer una tabla para calcular la media entre todos los materiales compatibles con el AMS.

La velocidad lineal mínima sería:

Vmin = w * r = 13.23 * 0.2 ≈ 2.65 m/s

Pero, conforme se va consumiendo el rollo de filamento, la velocidad de carga y descarga no puede ser la misma que la de 1 kg de filamento.

Con lo cual debemos de realizar una velocidad adaptativa basándonos en el remanente del rollo de filamento después de cada impresión.

En el laminador nos da un valor aproximado de consumo de filamento.

Si sabemos cuánto filamento ha consumido una pieza en la primera impresión u anteriores (por ejemplo, 230 g que nos lo facilita el laminador de Bambustudio), podemos calcular el peso restante:

P_restante = 1000 - 230 = 770 g 

Recalculando la velocidad angular:

w = sqrt(35 / (0.77 * 0.2)) ≈ 15.07 rad/s vs a los 13.23 rad/s

Es decir, el rollo puede girar más rápido conforme pesa menos.

Pero cuidado: si quedan pocas vueltas y ponemos una velocidad excesivamente alta puede causar:

• Choque contra la tapa del AMS
• Atasco entre el AMS y la X1 Carbon
• Sobrecalentamiento del motor

Para evitar estos problemas anteriores, basicamente nos podemos basar en la famosa "Campana de Gauss invertida" de tal forma que vaya reduciendo poco a poco la velocidad cuando sobrepase un porcentaje de filamento gastado.

La "campana" se puede ajustar en base a la velocidad máxima que puede dar el motor del alimentador, el cual desconocemos ese dato, con lo cual nos daría un porcentaje máximo, aplicando las mismas formulas pero a la inversa y dependiendo del filamento utilizado (en este caso PLA),  en el cual deberíamos de empezar a disminuir dicha velocidad gradualmente mientras se siga consumiendo el filamento y evitar los problemas anteriormente mencionados.

Si lo calculamos de nuevo para 150 g restantes, nos saldría una velocidad angular (en RPM) de 326.20 RPM y una velocidad lineal de 6,83 m/s lo que equivaldría a un motor de 12 kg para un filamento de 1.75 mm, algo impesable para colocarlo en un sistema AMS.

Imaginemos que los RPM max del motor son unos 180 RPM, lo que equivale a que tendríamos que tener una velocidad angular de 19,63 rad/s y aproximadamente 450 g, practicamente a la mitad del rollo de filamento y donde tenemos que ir reduciendo, a partir de ese punto, la velocidad gradualmente.

Con lo cual, la formula nos quedaría (a partir de ese punto):

w = w1-wmax

donde: 

w1 sería la velocidad con los gramos remanentes (calculados en la primera formula)

wmax es la velocidad angular máxima que puede darnos el motor (en este caso los 19.63 rad/s)

Por ejemplo, si nos queda 150 g, nos salió una velocidad angular de 34,15 rad/s, entonces, la velocidad angular real que debemos aplicar es:

w= 34.15-19.63 = 14.53 rad/s.

Habiendo estimado que, para 1000 g, nos salía 13.23 rad/s, si queremos que vaya a esa velocidad, tendría que ser por debajo de los 100 g para evitar que se atasque o choque el rollo de filamento.

La velocidad lineal se calcula tal cual. Eso no cambia, lo que si cambia es la angular.

5. Conclusión:

Cuando el rollo tiene más o poco peso, hay que girarlo más despacio para que no se rompa el filamento o sobrecaliente el motor al igual que si le queda ya poco con lo cual nos obliga a establecer otro sistema de calculo del peso de filamento (u estimarlo), estableciendo un maximo de velocidad cuando el rollo de filamento quede menos de un cuarto (es decir sobre unos 125 g) para evitar que el soporte del rollo golpeé contra la tapa del AMS reduciendo su velocidad gradualmente.

Pero a esto las empresas que fabrican impresoras 3D no les interesa puesto que quieren incrementar sus beneficios en base a la compra masiva de repuestos ya que se niegan a modificar el firmware para aumentar así la vida util de los componentes en una impresora 3D enfocada al sector profesional.