1. 直交座標系XYヘッド

直交XYヘッドガントリーシステムは、3Dプリンター（およびその他様々なCNCマシン）で一般的に使用されているモーションコントロールシステムの一種です。この構造では、プリントヘッドまたはエクストルーダーをガントリーのX軸に沿って移動させ、ガントリー全体を移動させることでY軸を移動させます。この構造では、Y軸上で大きな質量を移動させる必要があり、特に高加速動作時には機械の振動リスクが高まる可能性があります。

このようなガントリーシステムでは、プリントベッドは固定されており、プリントヘッドまたはエクストルーダーは2つの直交軸に沿って移動します。これらの軸は通常、再循環ボールリニアベアリングを備えた研磨されたシャフト上を走行します。高価なバージョンでは、ガイドとしてV溝付きローラーベアリングを備えたVレールが使用されることが多く、ベアリングの摩耗が低減されます。X軸は通常、次のように定義されます。アクロスY軸が機械の方向を向いている間後方/前方デバイスに対する相対的な位置です。Z軸はプリントヘッドまたはエクストルーダーの垂直方向の高さを位置決めし、ガントリーのX軸に沿って移動します。

直交XYガントリーシステムは、構成と操作がシンプルで簡単です。また、優れた精度と再現性を備えており、プリントヘッドの高精度な位置決めを可能にします。ただし、速度と加速度には限界があり、剛性が不足する場合もあります。

2. Ultimakerスタイルのクロス

Ultimakerスタイルのクロスガントリーシステムは、3Dプリントではあまり一般的ではない機械構造と軸移動システムです。プリントヘッドまたはエクストルーダーをX軸とY軸に沿って位置決めする2つの平行なガントリーを備えています。これらのガントリーはクロスバーで接続されており、クロスバーは剛性を共有することで両軸方向の動きを安定させます。Z軸の動きは通常、上下するプリントベッドではなく、これらの2つの軸によって行われます。

このシステムでは、プリントベッドは通常固定され、安定しています。プリントヘッドまたはエクストルーダーは、X軸とY軸の両方に沿って移動します。これらはステッピングモーターによって駆動され、歯付きベルトを介して運動を伝達します。2つのガントリーは同時に移動できます。これにより、急激な方向転換が最小限に抑えられ、印刷操作間のスムーズな曲率とジャークのない動作が可能になります。また、このアプローチは印刷中の安定性も向上し、印刷結果の品質向上にも役立ちます。

この設計アプローチは、よりシンプルな設計よりも複雑で、セットアップとキャリブレーションに多くの労力を必要とします。特に、ベルトドライブは正確で再現性の高い動作を実現するために非常に高いアライメントを必要とするため、その影響は顕著です。また、2つのガントリーがプリント中にアクセスを遮ることがあるため、プリントベッドにアクセスして調整を行うのが難しいという報告も一部ユーザーから寄せられています。

3. コアXY

CoreXYガントリーシステムは、3Dプリンターの設計において、X軸とY軸を駆動するための固定式ステッピングモーターを備えた構造です。Y軸駆動部は固定されているため、Y軸動作時のガントリー内の移動質量が低減されます。これにより、プリントヘッドの加速度と動きの精度が向上し、より高品質な印刷結果が得られます。

CoreXYシステムは、一連のプーリーと循環（ループ）ベルトを使用して動作します。これらの駆動ベルトは、システムのコアまたは中心で互いに交差するように配置され、歯付きベルトを駆動することで、プリントヘッドをX方向とY方向の両方向に、より低い慣性で移動させます。

移動質量が少ないため、ガントリー構造の軽量化が可能です。高加速モーメント時に抵抗する移動質量が少なくなります。このアプローチは、他のシステムよりもベルト張力とスライドの状態の影響を受けやすく、セットアップとキャリブレーションが複雑になる場合があります。しかし、加速性能はセットアップの問題を補って余りあるほどのメリットであると考えられているため、このシステムはより高度なカテゴリーに属する一部のユーザーに人気があります。

4. i3スタイルの直交XZヘッド

i3スタイルの直交XZヘッドは、3Dプリンターの設計において非常に広く使用されています。この方式では、プリントプラットフォーム自体がZ軸動作で上下し、プリントヘッドはX軸とY軸用のガントリー上で別々に搬送されます。エクストルーダーは、精密研磨されたシャフト上をX軸とY軸に沿って移動するキャリッジに搭載され、循環式ボールブッシュが使用されています。大型で高価なマシンでは、レールがV字型になっており、そのレール上をローラーベアリングが走行します。

この設計はシンプルで組み立てやすいため、家庭用や趣味用の3Dプリンターで人気があります。小型のマシンでは優れた精度と精密性を発揮しますが、剛性が比較的低く慣性が大きいため、一般的に加速と方向転換には適度な負荷がかかります。

この設計の主な欠点は、ベッドの水平を維持し、均一な層厚を得るのが非常に難しいことです。他の高価格帯の3Dプリンター設計と比較して剛性が低いため、軸速度や加速度が高い場合、非常に大きな影響が出る可能性があります。

5. Hボット

H-botは、一部の3Dプリンターに採用されているガントリーシステムです。ベルトドライブとリニアレールをレイアウトに使用し、CoreXYシステムと同様に、X軸とY軸を駆動する固定モーターを備えています。

X軸とY軸の2本のベルトは「H」字型に形成されます。1本のベルトはプリントヘッドに取り付けられ、Y軸に沿って移動します。もう1本のベルトはガントリーの反対側に取り付けられ、X軸に沿って移動します。プリントヘッドは、2本の主軸レールに沿って移動するZ軸駆動装置に搭載されています。

H-botレイアウトは他の3Dプリンター設計よりも安定性と剛性が高く、より高品質なプリント結果を提供します。固定モーターはシステムの慣性を低減し、より高い加速を可能にし、安定性を確保するために必要な剛性を低減します。

H-botの設計はセットアップが複雑で、キャリブレーションも難しく、メンテナンスの必要性が高いと言われています。ベルトにわずかなたるみが生じると、XY精度に著しい悪影響が生じます。ベルトは伸びやすいため、メンテナンスにおいては特に問題となります。しかし、適切にメンテナンスされていれば、H-botは高品質かつ高速な加工を可能にする効果的なガントリーシステムです。