Технология 3D-печати развивается семимильными шагами. В один момент мы обсуждаем создание маленьких игрушек для развлечения детей, а в следующую секунду видим новости о том, что 3D-принтер построил бетонное здание, способное выдержать землетрясение магнитудой 8. Со временем, кажется, станет возможным и «3D-печать 3D-принтера».

Но если оставить в стороне перспективы, любителей и энтузиастов больше всего интересуют настольные 3D-принтеры — какие существуют типы, как быстро они печатают и сколько стоят. Если вы любите разбираться во всем или когда-либо пытались самостоятельно собрать 3D-принтер, вы наверняка тоже задумывались над этим вопросом: как они двигаются?

XYZ, I3 и CoreXY — это в настоящее время самые популярные модели настольных 3D-принтеров. Принцип их работы следующий: устройство имеет одну или несколько осей в направлениях X, Y и Z трехмерной системы координат. На одном конце каждой оси установлен двигатель для подачи питания. Синхронные ремни или ходовые винты преобразуют вращение двигателя в линейное движение вдоль осей X, Y и Z. Наконец, с помощью линейных направляющих в трех направлениях устройство может позиционировать сопло в любой точке трехмерного пространства, образованного осями, экструдировать нить и создавать трехмерный объект.

Почему направляющие системы важны?

В процессе печати направляющие системы выполняют в основном три функции:

1. Точность: Обеспечение жестких допусков, предотвращение люфта и гарантирование линейного перемещения печатающей головки или нагреваемой платформы, установленных на направляющих, в заданном направлении;
2. Плавность хода: Снижает трение с подшипниками или роликами и способствует более плавному движению;
3. Надежность: Направляющие конструкции с высокой жесткостью могут повысить надежность оборудования и способствовать более стабильной печати с течением времени.

Разнообразие направляющих систем

В целом, к системам направляющих, используемым на 3D-принтерах, относятся:

1. Колеса и профили
2. Линейные тяги и подшипники
3. Линейные направляющие
4. Встроенные линейные направляющие

Колеса и профили

Среди всех направляющих, комбинация колес и профилей, вероятно, является наиболее распространенной и экономически выгодной. Обычно вдоль V-образного или Т-образного паза профиля движутся от 3 до 4 роликов, направляющих движение.

Внешнее кольцо колёс чаще всего изготавливается из поливинилхлорида (ПОМ), а внутреннее кольцо – из стали и шариковых подшипников. ПОМ обладает высокой прочностью, низкой деформацией и отличной износостойкостью, что делает его особенно подходящим для изготовления колёс для печатных машин. При правильном использовании ролики из ПОМ могут прослужить сотни часов. Некоторые производители также используют поликарбонат (ПК) для изготовления колёс, которые обладают ещё большей прочностью и более длительным сроком службы, хотя и по несколько более высокой цене.

Для обеспечения линейного движения колеса должны надежно сцепляться с профилями. Слишком слабое сцепление может привести к вибрации на высоких скоростях. Слишком сильное сцепление увеличит износ — между колесами и направляющими может скапливаться мусор, вызывая рывки или тряску. Поэтому пользователям необходимо регулировать степень затяжки колес в зависимости от особенностей работы принтера, очищать их от мусора и заменять колеса при необходимости. По сравнению с другими направляющими, комбинация колеса и профиля требует более частого обслуживания.

Кроме того, пластмассы обладают меньшей жесткостью, чем металлы. Деформации колес во время движения трудно избежать, поэтому принтеры, использующие колеса, как правило, имеют более низкую точность по сравнению с принтерами, использующими стальные направляющие.

Профили, обычно используемые на 3D-принтерах, бывают двух типов: V-образные и Т-образные. Как следует из названий, основное различие между ними заключается в форме поперечного сечения. Разные профили используются с разными колесами для достижения наилучшего направляющего эффекта.

Поскольку профили настраиваемы, недороги и обладают достаточной производительностью, сочетание колёс и профилей является лучшим выбором для многих самодельных 3D-принтеров.

Преимущества

• Хорошие характеристики наведения, недорогой и полезный;
• Широкий выбор и широкая доступность вариантов;
• Легко устанавливается, используется и модифицируется;

Недостатки

• Более низкая точность;
• Более подвержены вибрации;
• Требует более частого технического обслуживания.

Линейные стержни и подшипники

Ограничения, связанные с направляющими в виде колес и профилей, заставили любителей и производителей переключить внимание на другую комбинацию, обладающую большей точностью и стабильностью — линейные направляющие и подшипники. В последние несколько лет направляющие в виде стержней и подшипников стали практически синонимом систем направляющих для 3D-принтеров. Для каждой оси принтера требуется как минимум 2 стержня и 2 подшипника. Подшипники либо обхватывают, либо прилегают к стержням, соединяясь с каретками, на которых установлен экструдер или подогреваемый стол, для обеспечения линейного перемещения.

Линейный стержень, или гладкий стержень, представляет собой цилиндрический стальной стержень, доступный в различных размерах — в 3D-принтерах обычно используются стержни диаметром 8 мм. Стержни могут быть изготовлены с высокой точностью размеров и иметь очень гладкую поверхность. В сочетании с шариковыми подшипниками правильно собранные стержни могут обеспечить достаточно хорошее линейное перемещение.

Да, у гладкой поверхности есть и недостатки. При использовании в качестве направляющих стержни необходимо крепить с обоих концов металлическими зажимами. Кроме того, подшипники могут не только перемещаться линейно, но и вращаться на 360° вокруг цилиндров. Поэтому их необходимо крепить к подшипникам на другом параллельном стержне, чтобы экструдер или нагревательная платформа могли перемещаться линейно. Параллельность двух стержней может быть сложной задачей, особенно для тех, кто занимается изготовлением деталей своими руками.

Таким образом, использование направляющих вала, с одной стороны, означает более высокую точность и стабильность, но с другой — увеличивает габариты и вес, а также усложняет сборку.

В подшипниках, используемых со штоками, в основном применяются U-образные и линейные подшипники, полностью изготовленные из стали. U-образные подшипники напоминают колеса, которые могут катиться вдоль штоков. Линейные подшипники имеют цилиндрическую втулку снаружи и несколько рядов шариков внутри, которые могут перемещаться вдоль вала. Оба типа подшипников обеспечивают плавное движение с минимальным трением.

Штанги и подшипники служат долго, требуя лишь периодической очистки от отложений и смазки подшипников. Если штоки заключены в корпус, а не являются рамой, разборка корпуса и смазка подшипников не представляют сложности. Однако замена изношенных подшипников после длительной эксплуатации может быть несколько затруднительной.

Преимущества

• Превосходные характеристики наведения, высокая точность, умеренная стоимость;
• Широкий выбор и широкая доступность вариантов;
• Низкая частота технического обслуживания;

Недостатки

• В закрытом состоянии занимает больше места и весит больше;
• Параллелизм может представлять проблему;
• Замена подшипников может быть непростой задачей.

Линейные рельсы

Линейные направляющие, также называемые линейными направляющими, в последние годы стали очень популярны. Стальная направляющая имеет рельсы с каждой стороны, а расположенные на ней ползунки содержат 2 комплекта шарикоподшипников, которые могут перемещаться по рельсам. Помимо промышленных 3D-принтеров, все больше производителей настольных компьютеров также используют линейные направляющие в своих высококачественных линейках продукции.

Хотя и те, и другие изготовлены из стали, в реальных условиях линейные направляющие менее подвержены изгибу и вибрации по сравнению со стержнями. Это в основном объясняется их уникальным способом крепления. Стержни крепятся только с обоих концов, в то время как линейные направляющие имеют монтажные отверстия через равные промежутки на поверхности, что позволяет надежно крепить их к корпусу или другим опорным конструкциям.

Это обеспечивает стабильное линейное движение и улучшает качество печати, с одной стороны, и увеличивает предельную скорость, предотвращая чрезмерную вибрацию на высоких скоростях, с другой. Это одна из причин, по которой J1 может обеспечить высокоскоростную печать.

В процессе сборки линейные направляющие позволяют перемещать одну ось без использования пар, экономя пространство и вес, что делает станок более легким и компактным. Кроме того, нет необходимости беспокоиться о параллельности направляющих.

Всё это звучит замечательно, но в чём подвох? В цене. Приблизительные расчёты показывают, что хотя направляющие для линейных направляющих стоят примерно столько же, сколько подшипники для стержней, сами направляющие обходятся примерно в 2,5–4 раза дороже пары стержней эквивалентной длины. В сравнении с ними стержни дешевы и достаточно хороши. Сопоставив дополнительные затраты с преимуществами в производительности, большинство любителей самостоятельной сборки всё же выберут стержни и подшипники.

В плане технического обслуживания линейные направляющие аналогичны линейным направляющим и требуют регулярной смазки подшипников. Открытые направляющие также нуждаются в периодической очистке.

Преимущества

• Очень высокая точность;
• Поддерживает высокоскоростную печать;
• Компактные размеры, удобство в использовании;

Недостатки

• Не может использоваться в качестве опорных конструкций, требует установки на профили и т. д.;
• Дорогой.

Встроенные линейные направляющие

Вместо того чтобы напрямую использовать вышеупомянутые руководства, некоторые производители, стремясь к развитию технических возможностей или удовлетворению потребностей конкретных продуктов, также ищут более эффективные решения.

Основные преимущества линейных направляющих заключаются в высокой жесткости стальных рельсов и точном, плавном перемещении, обеспечиваемом шариковыми подшипниками. Эти преимущества сохраняются и в встроенных линейных направляющих.

При изготовлении линейных модулей компания FUYU встраивает две стальные полосы во внутренние стенки корпуса из алюминиевого сплава, а затем с помощью ЧПУ точно шлифует сталь, превращая её в направляющие с точностью до микрона. Кроме того, благодаря более широким встроенным направляющим, жесткость дополнительно повышается без увеличения веса, что лучше подходит для мощных операций ЧПУ — ведь обычным 3D-принтерам такая экстремальная жесткость не требуется.

По сравнению с прямой установкой линейных направляющих на поверхность профилей, встраивание стальных направляющих внутрь линейных модулей предотвращает скопление пыли на них, снижая частоту технического обслуживания. Это также делает модули более легкими и компактными, так что дорогостоящая машина не будет выглядеть как самодельный проект. Однако встраивание линейных направляющих создает значительные производственные сложности для производителя и не дает преимуществ в стоимости по сравнению с обычными линейными направляющими.

Преимущества

• Аналогично линейным направляющим: очень высокая точность, поддержка высокоскоростной печати, компактные размеры;
• Жесткость рельсов дополнительно улучшена;
• Благодаря закрытой конструкции направляющих частота технического обслуживания снижается;

Недостатки

• Дорогой;
• Не подходит для самостоятельного изготовления.