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

Но оставив перспективы в стороне, то, что больше всего волнует любителей и производителей, — это настольные 3D-принтеры — какие бывают типы, как быстро они печатают и сколько стоят. Если вам нравится докапываться до сути вещей или вы когда-нибудь пробовали сделать 3D-принтер своими руками, вы наверняка также задумывались над этим вопросом: как они двигаются?

XYZ, I3 и CoreXY в настоящее время являются наиболее популярными стилями настольных 3D-принтеров. Вот как они движутся: машина имеет одну или несколько осей в направлениях X, Y и Z трехмерной системы координат. Один конец каждой оси оснащен двигателем для обеспечения питания. Синхронные ремни или ходовые винты затем преобразуют вращение двигателя в линейное движение вдоль направлений X, Y и Z. Наконец, с помощью систем линейных направляющих рельсов в трех направлениях машина может позиционировать сопло в любой точке трехмерного пространства, образованного осями, выдавливать нить и создавать трехмерный объект.

Почему важны системы направляющих?

Направляющие системы в основном выполняют три функции во время печати:

1. Точность: обеспечивает жесткий допуск, предотвращает колебания и гарантирует, что печатающая головка или нагреваемая платформа, установленная на направляющих, перемещаются линейно в заданном направлении;
2. Плавность: снижение трения подшипников или роликов и обеспечение более плавного движения;
3. Надежность: Направляющие конструкции с высокой жесткостью могут повысить надежность машины и способствовать получению более стабильных отпечатков с течением времени.

Разнообразие направляющих систем

В целом, направляющие системы, используемые в 3D-принтерах, включают в себя:

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

Колеса и профили

Среди всех направляющих, комбинация колес и профилей, вероятно, является наиболее распространенной и экономически эффективной. Обычно для направления движений вдоль V- или T-образной канавки профиля движутся 3-4 ролика.

Внешнее кольцо колес чаще всего изготавливается из POM (полиформальдегида), а внутреннее кольцо — из стали и шарикоподшипников. POM обладает высокой прочностью, низкой деформацией и превосходной стойкостью к истиранию, что делает его особенно подходящим для изготовления колес принтера. При правильном использовании ролики POM могут прослужить сотни часов. Некоторые производители также используют PC (поликарбонат) для изготовления колес, которые обладают еще большей прочностью и более длительным сроком службы, хотя и по немного более высокой цене.

Чтобы обеспечить линейное движение, колеса должны правильно захватывать профили. Слишком слабое закрепление может привести к вибрации на высоких скоростях. Слишком сильное закрепление увеличит износ — скопившийся мусор может скапливаться между колесами и рельсами, вызывая неровное или дергающееся движение. Поэтому пользователям необходимо регулировать затяжку колес в зависимости от того, как работает принтер, очищать мусор и заменять колеса при необходимости. По сравнению с другими направляющими, комбинация колеса и профиля требует более частого обслуживания.

Кроме того, пластики имеют меньшую жесткость, чем металлы. Деформации колеса во время движения трудно избежать, поэтому принтеры, использующие колеса, как правило, имеют более низкую точность по сравнению с принтерами со стальными направляющими.

Профили, обычно используемые в 3D-принтерах, доступны в двух типах: профили с V-образным пазом и профили с T-образным пазом. Как следует из названий, основное различие между ними заключается в форме поперечного сечения. Различные профили сочетаются с различными колесами для достижения хороших направляющих эффектов.

Поскольку профили настраиваются индивидуально, стоят недорого и обладают достаточной производительностью, сочетание колес и профилей является лучшим выбором для многих самодельных 3D-принтеров.

Преимущества

• Хорошие направляющие характеристики, дешево и полезно;
• Множество вариантов, широкая доступность;
• Простота установки, использования и модификации;

Недостатки

• Более низкая точность;
• Более подвержен вибрации;
• Требует более частого обслуживания.

Линейные стержни и подшипники

Ограничения направляющих колес и профилей заставили мастеров-любителей и производителей обратить больше внимания на другую комбинацию с превосходной точностью и стабильностью — линейные стержни и подшипники. За последние несколько лет направляющие стержней и подшипников стали почти синонимом направляющих систем для 3D-принтеров. Для каждой оси принтера требуется не менее 2 стержней и 2 подшипников. Подшипники либо охватывают стержни, либо прикрепляются к ним, при этом соединяясь с каретками, установленными с экструдером или подогреваемым столом, для управления линейным движением.

Линейный стержень, он же гладкий стержень, — это просто цилиндрический стальной стержень, доступный в различных размерах — 3D-принтеры обычно используют стержни диаметром 8 мм. Стержни можно обрабатывать с высокой точностью размеров с очень гладкими поверхностями. В паре с шарикоподшипниками правильно собранные стержни могут достигать довольно хороших линейных движений.

И да, есть также недостатки гладкости. При использовании в качестве направляющих стержни должны быть закреплены на обоих концах металлическими зажимами. Кроме того, подшипники могут не только двигаться линейно, но и вращаться на 360° вокруг цилиндров. Вот почему их нужно прикрепить к подшипникам на другом параллельном стержне, чтобы экструдер или подогреваемый стол могли двигаться линейно. Параллельность между двумя стержнями может быть сложной, особенно для мастеров-любителей.

Таким образом, использование направляющих валов означает, с одной стороны, более высокую точность и устойчивость, но с другой — большую занимаемую площадь и вес, а также более высокую сложность сборки.

Подшипники, используемые со штоками, в основном представляют собой подшипники с U-образной канавкой и линейные подшипники, полностью изготовленные из стали. Подшипники с U-образной канавкой напоминают колеса, которые могут катиться вдоль стержней. Линейные подшипники имеют цилиндрическую втулку снаружи с несколькими рядами шариков внутри, которые могут циклически перемещаться вдоль вала. Оба могут обеспечивать плавное направление с минимальным трением.

Стержни и подшипники долговечны, требуют лишь периодической очистки от наростов на стержнях и смазки подшипников. Если стержни заключены в корпус, а не действуют как рама, разборка корпуса и смазка подшипников не составит труда. Однако замена изношенных подшипников после длительного использования может быть немного сложной.

Преимущества

• Отличные навигационные характеристики, высокая точность, умеренная стоимость;
• Множество вариантов, широкая доступность;
• Низкая частота технического обслуживания;

Недостатки

• Большие габариты и вес в закрытом виде;
• Параллелизм может стать проблемой;
• Замена подшипников может оказаться сложной задачей.

Линейные рельсы

Линейный рельс, также называемый линейной направляющей, в последние годы стал трендом. Стальная часть рельса имеет дорожку с каждой стороны, а вложенные в нее ползунки содержат 2 комплекта шарикоподшипников, которые могут циклически перемещаться по дорожкам. Помимо промышленных 3D-принтеров, все больше производителей настольных компьютеров также используют линейные рельсы в своих линейках высококачественной продукции.

Хотя оба они сделаны из стали, когда дело доходит до фактической работы, линейные рельсы менее подвержены изгибу и вибрации по сравнению со стержнями. Это в основном объясняется их уникальным методом крепления. Стержни закреплены только на обоих концах, в то время как линейные рельсы имеют монтажные отверстия на регулярной основе на поверхности, что позволяет им быть надежно закрепленными на корпусе или других опорных конструкциях.

Это обеспечивает стабильное линейное движение и улучшает качество печати с одной стороны, а с другой стороны увеличивает предел скорости, предотвращая чрезмерное дрожание на высоких скоростях. Это одна из причин, по которой J1 может достигать высокой скорости печати.

Во время сборки линейные рельсы могут направлять одну ось без сопряжения, экономя место и вес, делая машину более легкой и компактной. Также нет необходимости беспокоиться о параллельности рельсов.

Все это звучит здорово, но в чем подвох? Цена. Грубые расчеты показывают, что хотя ползунки для линейных направляющих стоят примерно столько же, сколько подшипники для стержней, сами направляющие стоят примерно в 2,5–4 раза дороже пары стержней эквивалентной длины. Для сравнения, стержни дешевы и достаточно хороши. Взвешивая дополнительную стоимость против прироста производительности, большинство мастеров-любителей все равно выберут стержни и подшипники.

Для обслуживания линейные рельсы похожи на предыдущие, требуя регулярной смазки подшипников. Открытые рельсы также нуждаются в периодической очистке.

Преимущества

• Очень высокая точность;
• Поддерживает высокоскоростную печать;
• Компактный, удобный в использовании;

Недостатки

• Не могут служить опорными конструкциями, требуют установки на профили и т.п.;
• Дорогой.

Встроенные линейные направляющие

Вместо того чтобы использовать вышеприведенные руководства напрямую, некоторые производители в целях расширения технических возможностей или удовлетворения потребностей конкретных продуктов также изучают более эффективные решения.

Основные преимущества линейных рельсов заключаются в высокой жесткости стальных рельсов и точном, плавном движении, обеспечиваемом шарикоподшипниками. Эти преимущества сохраняются и во встроенных линейных рельсах.

При изготовлении линейных модулей FUYU встраивает две стальные полосы во внутренние стенки корпуса из алюминиевого сплава, затем ЧПУ шлифует сталь точно в рельсы с точностью обработки на микронном уровне. Кроме того, с более широкими встроенными рельсами жесткость дополнительно повышается без увеличения веса, лучше подходит для высокопроизводительных операций ЧПУ — в конце концов, обычные 3D-принтеры не требуют такой экстремальной жесткости.

По сравнению с прямой установкой линейных направляющих на поверхности экструзии, встраивание стальных направляющих внутрь линейных модулей предотвращает накопление пыли на направляющих, снижая частоту технического обслуживания. Это также делает модули более легкими и компактными, так что дорогая машина не будет выглядеть как проект энтузиаста DIY. Однако встраивание линейных направляющих действительно создает значительные производственные проблемы для производителя, не имея никаких преимуществ по сравнению с обычными линейными направляющими.

Преимущества

• То же, что и линейные направляющие: очень высокая точность, поддержка высокоскоростной печати, малая занимаемая площадь;
• Жесткость рельсов дополнительно улучшена;
• Более низкая частота технического обслуживания при закрытых рельсах;

Недостатки

• Дорогой;
• Не подходит для самостоятельного изготовления.