3D-Druck hat auch die Chips in Mode gebracht.

3D-Druck ist in letzter Zeit wieder in Mode gekommen. Beispielsweise ist Tuozhu, das als der iPhone der 3D-Druckbranche gilt, sehr beliebt.

Der Grund für die Popularität liegt einerseits darin, dass es bei den chinesischen Kernkomponenten für den 3D-Druck zu Durchbrüchen gekommen ist und die KI-Technologie sich schnell entwickelt hat, wodurch die Gesamtkosten stetig sinken. Andererseits treibt die Politik die industrielle Entwicklung an. Daten der Nationalen Statistikbehörde zeigen, dass die Produktion von 3D-Druckgeräten in China im Jahr 2025 um 52,5 % gegenüber dem Vorjahr gestiegen ist.

Unter ihnen entwickelt sich der Verbrauchermarkt für 3D-Drucker am schnellsten. Guojin Securities geht davon aus, dass der Verbrauchermarkt im Jahr 2026 eine "zweite Beschleunigung" erleben wird.

Obwohl die Gesamtpenetration von Verbraucher-3D-Druckern derzeit noch weniger als 1 % beträgt, hat sie bereits eine beachtliche Jahreswachstumsrate von 28,8 % erreicht. Es wird geschätzt, dass die globale Verkaufszahl in diesem Jahr die zehn Millionen Geräte erreichen könnte. Der industrielle 3D-Druck erlebt ebenfalls einen Boom, vor allem dank des kommerziellen Weltraumbereichs und der Konsumelektronik.

Mit dem Boom des 3D-Drucks hat auch die Chipindustrie neue Chancen erhalten. Einige Chiphersteller haben die Geschäftsmöglichkeiten frühzeitig erkannt und verstärkt ihre Aktivitäten in diesem Bereich ausgebaut. Heute möchte EEWorld die Hersteller auflisten, die sich auf den 3D-Druck konzentrieren.

Die Chip-Lösungen für den 3D-Druck haben sich verändert

Für 3D-Drucker sind die Chip-Lösungen von entscheidender Bedeutung. Angesichts der zunehmenden Wichtigkeit der Hochgeschwindigkeitsdrucktechnik müssen bei steigenden Motordrehzahlen die Schwingungsdämpfung, die Geräuschkontrolle und die Temperaturverwaltung verbessert werden. Die Anforderungen an die Rechenleistung des Hauptcontrollers, die Schnittstellenressourcen und die Echtzeitsteuerung des gesamten Systems sind deutlich gestiegen.

Unter diesen Umständen zeigen die herkömmlichen Motorsteuerungsmodelle mit einem MCU und mehreren speziellen Treiber-ICs zunehmend Beschränkungen in Bezug auf Kosten und Flexibilität. Die Struktur mit mehreren Motoren erfordert die Verwendung mehrerer Treiberchips, was die BOM-Kosten erhöht. Gleichzeitig ist die Hardwarearchitektur festgelegt und kann nur schwer für unterschiedliche Funktionen erweitert werden. Daher beschleunigt die Branche die Einführung von Steuerarchitekturen mit einem Hochleistungs-MCU und einer H-Brückenschaltung. Durch die Integration der Treiberfunktionen und die Verwendung von Softwarealgorithmen anstelle von Teilen der speziellen Hardware wird die Steuerungskapazität konzentriert und die Systemstruktur vereinfacht.

Darüber hinaus benötigt ein leistungsstarker 3D-Drucker nicht nur eine starke Rechenleistung des Hauptcontrollers, sondern auch eine große Speicherkapazität, präzise Analogbauteile und Sensoren. Daher wandelt sich die Branche von der Verwendung einzelner Chips hin zu ganzheitlichen Lösungen.

Diese Hersteller haben sich auf den 3D-Druck konzentriert

Gigadevice

Gigadevice hat kürzlich angekündigt, dass es bei seinen Produkten in der Cortex-M33/M4-Klasse durch die Produktentwicklung die Leistung verbessert hat. Beispielsweise übernimmt die GD32F503-Serie die Marktposition der GD32F303-Serie und verbessert die Leistung bei gleichbleibend reichhaltigen Ressourcen. Im Bereich der Hochleistung erweitert die GD32H77D/779-Serie die GD32H737/757-Serie und bietet mehr Rechenkapazität für die Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionssteuerung. Diese gestufte Planung ermöglicht es den Kunden, ihre Produkte innerhalb eines einheitlichen Technologiekonzepts zu verbessern.

Im Hinblick auf die konkrete Lösung bietet die Hochleistungs-MCU mit Cortex-M7-Kern, wie die GD32H737, eine Taktrate von bis zu 600 MHz, reichhaltige Timerressourcen und mehrere ADC-Kanäle. Die ADC-Genauigkeit kann bis zu 14 Bit erreichen, was es ermöglicht, bis zu vier oder sogar mehr Schrittmotoren gleichzeitig anzusteuern. Dank der Rechenleistung der Hochleistungs-MCU kann Gigadevices Lösung höhere Steueralgorithmen implementieren und die Leistung bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten verbessern:

Bei hohen Geschwindigkeiten kann die maximale gemessene Geschwindigkeit bis zu 1000 mm/s (über 2000 U/min) und die Beschleunigung bis zu 20.000 mm/s² erreichen.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann die Lösung die Funktion der Dämpfung von Resonanzschwingungen implementieren, um die Resonanzschwingungen des Schrittmotors bei niedrigen Geschwindigkeiten zu unterdrücken und die Geräusche und Riefen bei der Niedriggeschwindigkeitsbewegung zu verringern. Dadurch wird die Oberflächenqualität des gedruckten Modells verbessert.

Darüber hinaus kann der selbst entwickelte Algorithmus zur Blockiererkennung die Positionierung ohne physischen Endschalter im Nullpunkt erreichen, was die strukturelle Komplexität verringert. Der selbst entwickelte Algorithmus zur adaptiven Stromreduzierung reduziert den Treiberstrom, wenn die nicht bewegten Achsen stillstehen, wodurch die Temperaturerhöhung und der Stromverbrauch effektiv kontrolliert werden. Mehrere Algorithmusmodule arbeiten auf einer einzigen MCU-Plattform zusammen, um die Systemsteuerung zu zentralisieren und zu verbessern.

Die praktischen Tests bestätigen die Leistung der Lösung. Bei der Schnelldrucktestung eines Bootmodells, einschließlich des Wartezeit für die Erwärmung, wurde das Modell in 15 Minuten fertiggestellt. Bei der Hochgeschwindigkeitsdrucktestung eines dünnwandigen Modells erreichte die maximale Geschwindigkeit 600 mm/s und die maximale Beschleunigung 11.000 mm/s². Bei der Drucktestung eines 50×50×50 mm-Würfelmodells betrug die maximale Geschwindigkeit 500 mm/s, die maximale Beschleunigung 12.000 mm/s² und die Druckgenauigkeit ±0,1 mm.

Neben der MCU bietet Gigadevice auch SPI NOR/NAND Flash, die GD30DR30-Serie von H-Brücken und die GD30AP-Serie von Operationsverstärkern, um eine ganzheitliche Lösung zu bieten.

Nationstech

Im vergangenen Jahr hat Nationstech auch die Anwendungen seiner Produkte im Bereich der 3D-Drucker hervorgehoben. Nationstech hat erklärt, dass sich die 3D-Drucktechnologie in den letzten Jahren rasant entwickelt hat und sich ihr Anwendungsbereich von der industriellen Fertigung bis hin zum medizinischen Bereich, von der Architektur bis zur Kulturindustrie stetig erweitert. Sie verändert tiefgreifend das traditionelle Produktionsmodell. Als das "Gehirn" des 3D-Druckers hat die Leistung und die Funktionen des MCU einen direkten Einfluss auf die Druckgenauigkeit, -geschwindigkeit und -stabilität. Die von Nationstech entwickelte N32H487-Serie von MCUs bietet mit ihrer starken Leistung, ihren reichhaltigen Schnittstellen und ihrer hohen Zuverlässigkeit ein vielversprechendes Lösungskonzept für 3D-Drucker.

Laut Nationstech hat die N32H487-Serie drei Merkmale, die den Anforderungen von 3D-Druckern entsprechen:

Erstens: Hohe Leistung, die dem 3D-Druck eine starke Antriebskraft verleiht. Die N32H487-Serie von MCUs basiert auf dem ARM Cortex-M4-Kern und hat eine Taktrate von 240 MHz. Sie integriert eine Gleitkommaeinheit (FPU) und eine digitale Signalverarbeitungsanweisungssammlung (DSP), was es ihr ermöglicht, die komplexen Pfadplanungen, Bewegungssteuerungen und Datenverarbeitungen während des 3D-Druckprozesses problemlos zu bewältigen. Der integrierte 512-KB-Flash-Speicher und der 192-KB-SRAM bieten ausreichend Speicherplatz für die komplexen 3D-Druckalgorithmen und die Modellsdaten, um einen reibungslosen und stabilen Druckprozess zu gewährleisten.

Zweitens: Reichhaltige Peripheriegeräte, die ein komplettes Ökosystem für den 3D-Druck aufbauen. Die N32H487-Serie von MCUs integriert reichhaltige Schnittstellen, einschließlich USB, CAN, Ethernet, I2C, SPI, UART usw., die es ermöglichen, problemlos mit verschiedenen Sensoren, Aktoren und Kommunikationsmodulen zu verbinden und ein komplettes Ökosystem für den 3D-Druck aufzubauen.

Sie unterstützt mehrere PWM-Ausgänge und Encoderschnittstellen, um Schrittmotoren oder Servomotoren präzise zu steuern und eine hochpräzise dreidimensionale Bewegungssteuerung zu erreichen, um sicherzustellen, dass die gedruckten Modelle klare Details und glatte Oberflächen haben. Die Unterstützung von Hochgeschwindigkeitskommunikationsschnittstellen wie USB und Ethernet ermöglicht eine schnelle Datenübertragung mit dem Hostcomputer und verbessert die Druckeffizienz. Die Unterstützung von Peripheriegeräten wie Touchscreens und LCD-Bildschirmen bietet den Benutzern eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle und erleichtert die Bedienung und die Überwachung des Druckprozesses.

Drittens: Hohe Zuverlässigkeit, die einen stabilen Betrieb des 3D-Druckers gewährleistet. Der 3D-Druckprozess erfordert normalerweise einen längeren Dauerbetrieb, was extreme Anforderungen an die Zuverlässigkeit des MCU stellt. Die N32H487-Serie von MCUs verwendet ein fortschrittliches Prozessdesign und einen strengen Testablauf, hat eine ausgezeichnete Störunterdrückungskapazität und Stabilität und kann den langfristigen stabilen Betrieb des 3D-Druckers gewährleisten.

HPMicro

HPMicro hat auch eine spezielle maßgeschneiderte Lösung für Hochgeschwindigkeits-3D-Drucker entwickelt. Sein Hochleistungs-CPU-Modell HPM6280 integriert einen FOC-Algorithmus und einen H-Brückentreiberchip, um eine Offen-Schleifen-Steuerung von vier Schrittmotoren mit einer Stromkreis-Frequenz von 50 kHz zu ermöglichen. Die Drehzahl der Schrittmotoren kann über 1200 U/min erreichen. Diese Lösung ist speziell für die 3D-Druckbranche entwickelt und eignet sich auch für Anwendungen in der Bühnenbeleuchtung, der Gravurmaschine, der Feedertechnik und der Flachstrickmaschine.

Im Vergleich zu den herkömmlichen TMC-Steuerungslösungen in der 3D-Druckbranche bietet diese maßgeschneiderte Lösung für die Branche die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsdrucks, der niedrigen Systemkosten und der hohen Synchronität.

Die Lösung bietet einen produktionsreifen Schrittmotoralgorithmus, der auf der FOC-Steuerung basiert. Die Drehzahl und die Beschleunigung des Motors können bis zu 1500 U/min und 2,4 G erreichen. Der Motoralgorithmus ist selbst entwickelt, wodurch die Kosten gesenkt und die Effizienz verbessert werden können. Die Lösung bietet auch die offenen Schaltungsschemata und die Motorbibliotheksdateien. Darüber hinaus verfügt HPMicro über eine umfassende und zeitnahe technische und kommerzielle Supportleistung.

ADI

Wenn man über 3D-Drucker spricht, darf man nicht an die Trinamic-Produkte von ADI verzichten. Ihre Produktlösungen sind in der 3D-Druckbranche ein Maßstab, vor allem, wenn es um das Problem der Geräusche geht.

Normalerweise wird zur Lösung des Geräuscheproblems ein offener Schrittmotor als Antrieb verwendet. Dies führt jedoch zu Problemen wie niedriger Genauigkeit, langsamer Geschwindigkeit, Neigung zum Schrittverlust, hohem Geräuschpegel, hohem Stromverbrauch und Schwingungen. Bei 3D-Druckern bedeutet dies eine langsamere Druckgeschwindigkeit. Wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, besteht die Gefahr, dass der Motor Schritte verliert, was zu Druckfehlern führt. Die Genauigkeit und die Erfolgsrate sinken erheblich, und es treten starke Druckschwingungen und Resonanzgeräusche auf. Darüber hinaus kann bei fehlender Rückmeldung des 3D-Druck-Schrittmotors das Hochlaufen des Motors, plötzliche Belastungen oder Druckerhöhungen die ordnungsgemäße Funktion des Schrittmotors beeinträchtigen und zu Schrittverlusten führen. Neben den Schrittverlusten, die durch hohe Geschwindigkeiten und Belastungen verursacht werden können, können auch die Beschleunigung und die Verzögerung des Motors sowie die Trägheit des Systems zu Schrittverlusten führen. Dies sind die Nachteile der offenen Steuerung von 3D-Druck-Schrittmotoren.

ADI Trinamic hat eine Reihe von Lösungen entwickelt. Die ersten Motor-Treiberchips TMC2100/2130 sind in der 3D-Druckbranche wegen ihrer hervorragenden Geräuschdämpfung bekannt. Anschließend wurde der TMC2208 entwickelt, um eine integrierte Motor-Treiberlösung für 3D-Drucker, Kameras, Scanner und andere Automatisierungsgeräte bereitzustellen. Das Gerät verfügt über einen integrierten Mikroschrittteiler und einen vollkommen geräuschlosen Stromsteuerungsmodus namens StealthChop2, der für den Antrieb von bipolaren Schrittmotoren konzipiert ist. Im Gegensatz zu anderen Chopper-Schaltungen kann StealthChop2 den Geräuschpegel des 3D-Druckers um 15 dB oder mehr senken, ohne dass eine Konfiguration erforderlich ist. Im Hinblick auf die Anforderungen von Hochleistungs-3D-Druckern an verschiedene Ströme und höhere Spannungen hat ADI Trinamic auch nie auf die Innovation verzichtet. Beispielsweise unterstützt der neue TMC2209 in dieser Serie höhere Ströme und ist auch für niedrigere Betriebsspannungen geeignet.

Bei der Genauigkeitssteuerung bietet die geschlossene Steuerung von Schrittmotoren Schlüsseltechniken