Технологии 3D-печати развиваются семимильными шагами. В один момент мы обсуждаем изготовление маленьких игрушек для развлечения детей, а в следующий момент мы видим новость о том, что 3D-принтер построил бетонное здание, способное выдержать землетрясение силой 8 баллов. Со временем «3D-печать на 3D-принтере» также кажется возможной.

Но если оставить в стороне перспективы, любителей и производителей по-прежнему больше интересуют настольные 3D-принтеры — какие они бывают, как быстро они печатают и сколько стоят. Если вам нравится докапываться до сути вещей или вы когда-либо пробовали создать 3D-принтер своими руками, вы, должно быть, также задавались вопросом: как они движутся?

XYZ, I3 и CoreXY в настоящее время являются наиболее популярными стилями настольных 3D-принтеров. Они движутся следующим образом: станок имеет одну или несколько осей в направлениях X, Y и Z трехмерной системы координат. Один конец каждой оси оснащен двигателем для обеспечения мощности. Синхронные ремни или ходовые винты затем преобразуют вращение двигателя в линейное движение по направлениям X, Y и Z. Наконец, благодаря системе линейных направляющих в трех направлениях машина может расположить сопло в любой точке трехмерного пространства, образованного осями, выдавить нить и создать трехмерный объект.

Почему системы направляющих важны?

Направляющие системы в основном служат трем целям во время печати:

1. Точность. Обеспечьте жесткие допуски, предотвратите раскачивание и убедитесь, что печатающая головка или подогреваемая платформа, установленная на направляющих, перемещаются линейно в заданном направлении;
2. Плавность: уменьшает трение подшипников или роликов и способствует более плавному движению;
3. Надежность. Направляющие конструкции с превосходной жесткостью могут повысить надежность машины и со временем способствовать более стабильной печати.

Разнообразие направляющих систем

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

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

Колеса и профили

Среди всех направляющих комбинация колес и профилей, пожалуй, самая распространенная и экономически выгодная. Обычно вдоль V-образной или Т-образной канавки профиля перемещаются от 3 до 4 роликов, направляющих движения.

Наружное кольцо колес чаще всего изготавливается из ПОМ (полиформальдегида), а внутреннее кольцо — из стали и шарикоподшипников. ПОМ обладает высокой прочностью, низкой деформацией и отличной стойкостью к истиранию, что делает его особенно подходящим для изготовления колес принтеров. При правильном использовании ролики из ПОМ могут прослужить сотни часов. Некоторые производители также используют ПК (поликарбонат) для изготовления колес, которые имеют еще более высокую прочность и более длительный срок службы, хотя и по несколько более высокой цене.

Для обеспечения линейного движения колеса должны хорошо сцепляться с профилями. Слишком свободный ход и на высоких скоростях может возникнуть вибрация. Слишком сильное затягивание приведет к увеличению износа — скопившийся мусор может скапливаться между колесами и рельсами, вызывая тряску и тряску при движении. Таким образом, пользователям необходимо регулировать затяжку колес в зависимости от того, как работает принтер, очищать от мусора и при необходимости заменять колеса. По сравнению с другими направляющими, комбинация колеса и профиля требует более частого обслуживания.

Кроме того, пластмассы имеют меньшую жесткость, чем металлы. Деформацию колеса во время движения трудно избежать, поэтому принтеры, использующие колеса, обычно имеют меньшую точность по сравнению с принтерами со стальными направляющими.

Профили, обычно используемые в 3D-принтерах, доступны в двух типах: профили с V-образными пазами и профили с Т-образными пазами. Как следует из названия, основное различие между ними заключается в форме поперечного сечения. Различные профили сочетаются с разными колесами для достижения хорошего направляющего эффекта.

Поскольку профили настраиваемы, недороги и обладают достаточной производительностью, комбинация колес и профилей является лучшим выбором для многих сборок 3D-принтеров своими руками.

Преимущества

• Хорошие направляющие характеристики, дешево и полезно;
• Обильные варианты, широко доступны;
• Простота установки, использования и модификации;

Недостатки

• Более низкая точность;
• Более склонен к вибрации;
• Требует более частого обслуживания.

Линейные стержни и подшипники

Ограничения колесных и профильных направляющих побудили домашних мастеров и производителей переключить больше внимания на другую комбинацию, обладающую превосходной точностью и стабильностью — линейные стержни и подшипники. За последние несколько лет направляющие стержня и подшипника стали почти синонимом направляющих систем для 3D-принтеров. Для каждой оси принтера необходимо как минимум 2 тяги и 2 подшипника. Подшипники либо охватывают стержни, либо цепляются за них, соединяясь с каретками, установленными с помощью экструдера или стола с подогревом, для управления линейным движением.

Линейный стержень, также известный как гладкий стержень, представляет собой просто цилиндрический стальной стержень, доступный в различных размерах — в 3D-принтерах обычно используются стержни диаметром 8 мм. Стержни могут быть обработаны с высокой точностью размеров и иметь очень гладкую поверхность. В сочетании с шарикоподшипниками правильно собранные стержни могут обеспечить довольно хорошие линейные движения.

И да, у гладкости есть и недостатки. При использовании для наведения стержни необходимо фиксировать с обоих концов металлическими зажимами. Кроме того, подшипники могут не только двигаться линейно, но и вращаться на 360° вокруг цилиндров. Вот почему их необходимо прикрепить к подшипникам на другом параллельном стержне, чтобы экструдер или нагретый стол могли двигаться линейно. Параллельность между двумя стержнями может быть сложной задачей, особенно для домашних мастеров.

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

Подшипники, используемые со штоками, в основном представляют собой подшипники с U-образными канавками и линейные подшипники, полностью изготовленные из стали. Подшипники с U-образными канавками напоминают колеса, которые могут катиться по стержням. Линейные подшипники имеют цилиндрическую втулку снаружи и несколько рядов шариков внутри, которые могут вращаться вдоль вала. Оба могут обеспечить плавное наведение с минимальным трением.

Штоки и подшипники долговечны, требуют лишь периодической очистки от отложений на штоках и смазки подшипников. Если стержни заключены в корпус, а не выполняют функцию рамы, разборка корпуса и смазка подшипников не вызывают затруднений. Однако замена изношенных подшипников после длительного использования может оказаться непростой задачей.

Преимущества

• Отличные направляющие характеристики, высокая точность, умеренная стоимость;
• Обильные варианты, широко доступны;
• Низкая частота технического обслуживания;

Недостатки

• Большая занимаемая площадь и вес в закрытом виде;
• Параллелизм может быть проблемой;
• Замена подшипников может оказаться сложной задачей.

Линейные рельсы

Линейный рельс, также называемый линейными направляющими, в последние годы стал трендом. Стальная часть рельса имеет направляющие с каждой стороны, а расположенные на ней ползунки содержат 2 комплекта шарикоподшипников, которые могут перемещаться по направляющим. Помимо промышленных 3D-принтеров, все больше и больше производителей настольных компьютеров также используют линейные направляющие в своих линейках высококачественной продукции.

Хотя оба рельса изготовлены из стали, в реальной работе линейные рельсы менее подвержены изгибу и вибрации по сравнению со стержнями. В основном это связано с их уникальным методом крепления. Стержни закреплены только с обоих концов, тогда как линейные рельсы имеют на поверхности через равные промежутки монтажные отверстия, позволяющие плотно закрепить их на корпусе или других опорных конструкциях.

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

Во время сборки линейные направляющие могут направлять одну ось без спаривания, что экономит место и вес, делая машину более легкой и компактной. Также не стоит беспокоиться о параллельности рельсов.

Звучит все здорово, но в чем подвох? Цена. Грубые расчеты показывают, что, хотя ползуны для линейных рельсов имеют такую ​​же цену, как и подшипники для стержней, сами рельсы стоят примерно в 2,5–4 раза дороже, чем пара стержней одинаковой длины. Для сравнения, удилища дешевы и достаточно хороши. Сопоставляя дополнительные затраты с приростом производительности, большинство домашних мастеров по-прежнему предпочитают шатуны и подшипники.

В плане обслуживания линейные рельсы аналогичны первым и требуют регулярной смазки подшипников. Открытые рельсы также нуждаются в периодической чистке.

Преимущества

• Очень высокая точность;
• Поддерживает высокоскоростную печать;
• Небольшая занимаемая площадь, удобная в использовании;

Недостатки

• Не могут служить опорными конструкциями, необходимо устанавливать на профили и т.п.;
• Дорогой.

Встроенные линейные рельсы

Вместо непосредственного использования приведенных выше руководств некоторые производители в целях расширения технических возможностей или обслуживания конкретных продуктов также изучают более эффективные решения.

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

При изготовлении линейных модулей компания FUYU встраивает две стальные полосы во внутренние стенки корпуса из алюминиевого сплава, затем на станке с ЧПУ сталь точно шлифуется до рельсов с точностью обработки на микронном уровне. Кроме того, благодаря более широким встроенным направляющим жесткость еще больше повышается без увеличения веса, что лучше подходит для операций с ЧПУ высокой мощности — в конце концов, обычные 3D-принтеры не требуют такой чрезвычайной жесткости.

По сравнению с установкой линейных рельсов непосредственно на поверхность профилей, встраивание стальных рельсов внутрь линейных модулей предотвращает накопление пыли на рельсах, что снижает 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 рельсов создает для производителя серьезные производственные проблемы, не имея при этом никаких преимуществ по стоимости по сравнению с обычными линейными рельсами.

Преимущества

• То же, что и линейные направляющие: очень высокая точность, поддержка высокоскоростной печати, небольшая занимаемая площадь;
• Жесткость рельсов еще больше улучшилась;
• Меньшая частота технического обслуживания благодаря закрытым направляющим;

Недостатки

• Дорогой;
• Не подходит для DIY.