3D プリンティング技術は飛躍的に進歩しています。ある瞬間、私たちは子供たちを楽しませるための小さなおもちゃを作ることについて話し合っていますが、次の瞬間には、3D プリンターでマグニチュード 8 の地震に耐えるコンクリートの建物を建てたというニュースが流れます。時間があれば「3Dプリンターで3Dプリント」も可能になりそうです。

しかし、見通しはさておき、愛好家やメーカーがより関心を持っているのは、依然としてデスクトップ 3D プリンタです。どのような種類があり、どれくらいの速度で印刷し、どれくらいの価格がかかるのかということです。物事の本質を理解するのが好きな人、または以前に 3D プリンターを DIY してみたことがある人なら、この疑問も考えたことがあるはずです。「プリンターはどのように動くのか?」

XYZ、I3、および CoreXY は、現在最も人気のあるスタイルのデスクトップ 3D プリンタです。これが機械の動き方です。機械には 3D 座標系の X、Y、Z 方向に 1 つまたは複数の軸があります。各軸の一端には電力を供給するモーターが装備されています。同期ベルトまたはリードスクリューは、モーターの回転を X、Y、Z 方向に沿った直線運動に変換します。最後に、3 方向のリニア ガイド レール システムを使用して、機械は軸によって形成される 3D 空間内の任意の点にノズルを配置し、フィラメントを押し出し、3D オブジェクトを作成できます。

ガイドシステムはなぜ重要ですか?

ガイド システムは印刷中に主に 3 つの目的に役立ちます。

1. 精度: 厳しい公差を実現し、ぐらつきを防ぎ、ガイドに取り付けられたプリントヘッドまたは加熱ベッドが所定の方向に沿って直線的に移動することを保証します。
2. 滑らかさ：ベアリングやローラーとの摩擦を軽減し、スムーズな動きに貢献します。
3. 信頼性: 剛性に優れたガイド構造により、機械の信頼性が向上し、長期にわたってより安定した印刷に貢献します。

多彩なガイドシステム

一般に、3D プリンターで使用されるガイド システムには次のものがあります。

1. ホイールとプロファイル
2. リニアロッドとベアリング
3. リニアレール
4. 埋め込みリニアレール

ホイールとプロファイル

すべてのガイドの中で、ホイールとプロファイルの組み合わせがおそらく最も一般的でコスト効率が高くなります。通常、動きをガイドするために、プロファイルの V 字型または T 字型の溝に沿って 3 ～ 4 つのローラーが稼働します。

ホイールの外輪は POM (ポリホルムアルデヒド) で作られているのが最も一般的で、内輪はスチールとボール ベアリングで作られています。 POMは強度が高く、変形が少なく、耐摩耗性に優れているため、プリンターホイールの製造に特に適しています。適切に使用すれば、POM ローラーは何百時間も使用できます。一部のメーカーでは、価格は少し高くなりますが、PC (ポリカーボネート) を使用してホイールを製造しており、より強度が高く、寿命が長くなります。

直線運動を確実にするには、ホイールがプロファイルを適切にグリップする必要があります。緩すぎると高速走行時に振動が発生する可能性があります。きつすぎると摩耗が増加します。蓄積された破片がホイールとレールの間に堆積し、でこぼこした動きや不安定な動きを引き起こす可能性があります。そのため、ユーザーはプリンターの動作に基づいてホイールの締め付けを調整し、ゴミを掃除し、必要に応じてホイールを交換する必要があります。他のガイドと比較して、ホイールとプロファイルの組み合わせはより頻繁なメンテナンスを必要とします。

また、プラスチックは金属に比べて剛性が低くなります。動作中のホイールの変形は避けるのが難しいため、ホイールを使用するプリンタは一般にスチール製ガイドを使用するプリンタに比べて精度が低くなります。

3D プリンターで一般的に使用されるプロファイルには、V スロット プロファイルと T スロット プロファイルの 2 種類があります。名前が示すように、それらの主な違いは断面形状です。異なるプロファイルと異なるホイールを組み合わせて、優れたガイド効果を実現します。

プロファイルはカスタマイズ可能で、安価で、十分なパフォーマンスを備えているため、ホイールとプロファイルの組み合わせは、多くの DIY 3D プリンタ構築にとって最優先の選択肢です。

利点

• 優れたガイド性能、安価で便利。
• 豊富なオプション、広く利用可能。
• インストール、使用、変更が簡単。

短所

• 精度が低い。
• 振動を受けやすくなります。
• より頻繁なメンテナンスが必要になります。

リニアロッドとベアリング

ホイールとプロファイル ガイドの限界により、DIY ユーザーやメーカーは、優れた精度と安定性を備えた別の組み合わせであるリニア ロッドとベアリングに注目を移すようになりました。過去数年で、ロッドおよびベアリングのガイドは 3D プリンタのガイド システムとほぼ同義語になりました。プリンタの各軸には少なくとも 2 つのロッドと 2 つのベアリングが必要です。ベアリングは、押出機または加熱ベッドに取り付けられたキャリッジに接続しながら、ロッドに巻き付くかくっつき、直線運動をガイドします。

リニアロッド、別名スムースロッドは、単純な円筒形のスチールロッドで、さまざまなサイズが用意されています。3D プリンタでは通常、直径 8 mm のものが使用されます。ロッドは非常に滑らかな表面で高い寸法精度で機械加工できます。ボールベアリングと組み合わせると、ロッドを適切に組み立てると、かなり良好な直線運動を実現できます。

そして確かに、スムーズであることの欠点もあります。ガイドとして使用する場合、ロッドの両端を金属クランプで固定する必要があります。また、ベアリングは直線運動だけでなく、シリンダーの周りを 360°回転することもできます。そのため、押出機や加熱ベッドを直線的に動かすために、別の平行ロッドのベアリングに取り付ける必要があります。 2 本のロッドの平行度は、特に DIY 愛好家にとっては難しい場合があります。

したがって、シャフト ガイドを使用すると、一方では精度と安定性が向上しますが、他方では設置面積と重量が大きくなり、組み立ての難易度も高くなります。

ロッドに使用されるベアリングは主にU溝ベアリングとオールスチール製のリニアベアリングです。 U 溝ベアリングは、ロッドに沿って転がる車輪に似ています。リニアベアリングの外側には円筒形のスリーブがあり、内側にはシャフトに沿って回転できる数列のボールがあります。どちらも摩擦を最小限に抑えたスムーズな誘導を実現します。

ロッドとベアリングは長持ちし、ロッド上の蓄積物を時折清掃し、ベアリングに注油するだけで済みます。ロッドがフレームとして機能するのではなくハウジングに囲まれている場合、ハウジングの分解とベアリングの潤滑は簡単です。ただし、長期間使用した後に摩耗したベアリングを交換するのは少し難しい場合があります。

利点

• 優れたガイド性能、高精度、適度なコスト。
• 豊富なオプション、広く利用可能。
• メンテナンス頻度が低い。

短所

• 密閉した場合の設置面積と重量が大きくなります。
• 並列処理が問題になる場合があります。
• ベアリングの交換は難しい場合があります。

リニアレール

リニアレールはリニアガイドとも呼ばれ、近年流行しています。スチール製レール部分には両側にトラックがあり、その上に入れ子になっているスライダーには、トラックに沿って循環できる 2 セットのボール ベアリングが含まれています。産業用 3D プリンタに加えて、ハイエンド製品ラインでリニア レールを使用するデスクトップ メーカーも増えています。

どちらも鋼製ですが、実際の作業においてはロッドに比べてリニアレールの方がたわみや振動が少ないです。これは主に独自の取り付け方法に起因します。ロッドは両端のみ固定されていますが、リニアレールは表面に一定間隔で取り付け穴があり、ハウジングやその他の支持構造にしっかりと固定できます。

これにより、安定した直線運動が確保され印刷品質が向上する一方で、高速時の過度の揺れが防止されて速度制限が向上します。これが、J1 が高速印刷を実現できる理由の 1 つです。

組み立て中、リニア レールはペアにすることなく 1 つの軸をガイドできるため、スペースと重量が節約され、機械がより軽量でコンパクトになります。レールの平行度を気にする必要もありません。

すべて素晴らしく聞こえますが、問題は何でしょうか?価格。大まかな計算によると、リニア レールのスライダーの価格はロッドのベアリングと同程度ですが、レール自体の価格は同じ長さの 1 対のロッドの価格の約 2.5 ～ 4 倍です。それに比べてロッドは安くて十分です。追加コストとパフォーマンスの向上を天秤にかけて、ほとんどの DIY ユーザーは依然としてロッドとベアリングを選択するでしょう。

メンテナンスに関しては、リニア レールも前者と同様に、定期的にベアリングに注油する必要があります。露出したレールも時々掃除する必要があります。

利点

• 非常に高い精度。
• 高速印刷をサポートします。
• 設置面積が小さく、使いやすい。

短所

• サポート構造としては機能しないため、プロファイルなどに取り付ける必要があります。
• 高い。

埋め込み型リニアレール

一部のメーカーは、上記のガイドを直接使用する代わりに、技術力を向上させたり、特定の製品に対応したりする目的で、より良いソリューションを模索しています。

リニアレールの最大の強みは、スチールレールの高い剛性とボールベアリングによって可能になる正確でスムーズな動きにあります。これらの利点は、埋め込みリニアレールでも維持されます。

リニアモジュールを製造する際、FUYU はアルミニウム合金ハウジングの内壁に 2 つのスチールストリップを埋め込み、CNC によりスチールをミクロンレベルの加工精度で正確にレールに研磨します。また、幅広の埋め込みレールにより、重量を増やさずに剛性がさらに向上し、高出力の CNC 操作に適しています。結局のところ、通常の 3D プリンタではそこまで極端な剛性は必要ありません。

リニアレールをフレーム表面に直接取り付ける場合に比べ、スチールレールをリニアモジュール内に埋め込むことでレールへの粉塵の付着を防ぎ、メンテナンス頻度を低減します。また、モジュールがより軽量かつコンパクトになるため、高価なマシンが DIY 愛好家のプロジェクトのように見えてしまうこともありません。ただし、リニア レールを埋め込むことは、通常のリニア レールに比べてコスト面での利点がなく、製造業者にとっては製造上の大きな課題となります。

利点

• リニア レールと同じ: 非常に高精度、高速印刷をサポート、設置面積が小さい。
• レール剛性がさらに向上。
• レールが密閉されているため、メンテナンスの頻度が低くなります。

短所

• 高い;
• DIYには向きません。