Технологии 3D-печати развиваются семимильными шагами. Вот 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» тоже кажется возможной.

Но, оставив в стороне перспективы, любителей и мастеров по-прежнему больше всего интересуют настольные 3D-принтеры — какие они бывают, с какой скоростью печатают и сколько стоят. Если вы любите докапываться до сути или когда-либо пытались собрать 3D-принтер своими руками, вы наверняка задавались вопросом: как они двигаются?

XYZ, I3 и CoreXY в настоящее время являются самыми популярными моделями настольных 3D-принтеров. Вот как они движутся: машина имеет одну или несколько осей в направлениях X, Y и Z трёхмерной системы координат. Один конец каждой оси оснащён двигателем для подачи энергии. Синхронные ремни или ходовые винты преобразуют вращение двигателя в линейное движение по направлениям X, Y и Z. Наконец, благодаря системе линейных направляющих в трёх направлениях машина может позиционировать сопло в любой точке трёхмерного пространства, образованного осями, выдавливать пластиковую нить и создавать трёхмерный объект.

Почему важны системы направляющих?

Направляющие системы в основном выполняют три функции в процессе печати:

1. Точность: обеспечивает строгий допуск, предотвращает колебания и обеспечивает линейное перемещение печатающей головки или нагреваемой платформы, установленных на направляющих, в заданном направлении;
2. Плавность: снижение трения в подшипниках или роликах и обеспечение более плавного движения;
3. Надежность: направляющие конструкции с высокой жесткостью могут повысить надежность машины и способствовать более стабильной печати 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 колёс и профилей, пожалуй, самая распространённая и экономичная. Обычно в V-образной или Т-образной канавке профиля перемещаются 3–4 ролика, направляя движение.

Внешнее кольцо колёс чаще всего изготавливается из полиформальдегида (POM), а внутреннее — из стали и шарикоподшипников. Полиформальдегид (POM) обладает высокой прочностью, низкой деформируемостью и превосходной износостойкостью, что делает его особенно подходящим для изготовления колёс для принтеров. При правильном использовании ролики из POM могут прослужить сотни часов. Некоторые производители также используют поликарбонат (PC) для изготовления колёс, которые обладают ещё большей прочностью и сроком службы, хотя и стоят несколько дороже.

Для обеспечения линейного движения ролики должны надежно обхватывать профили. Слишком слабое закрепление может привести к вибрации на высоких скоростях. Слишком сильное закрепление увеличит износ — между роликами и направляющими может скапливаться мусор, что приведет к неравномерному и прерывистому движению. Поэтому пользователям необходимо регулировать затяжку роликов в зависимости от особенностей работы принтера, очищать ролики от мусора и при необходимости заменять ролики. По сравнению с другими направляющими, комплект роликов и профилей требует более частого обслуживания.

Кроме того, пластики обладают меньшей жёсткостью, чем металлы. Деформации колёс во время движения сложно избежать, поэтому принтеры с колёсами, как правило, имеют более низкую точность по сравнению с принтерами со стальными направляющими.

Профили, обычно используемые в 3D-принтерах, бывают двух типов: V-образные и T-образные. Как следует из названий, основное различие между ними заключается в форме поперечного сечения. Различные профили сочетаются с различными роликами для достижения наилучшего направляющего эффекта.

Поскольку профили можно настраивать, они недорогие и обладают достаточной производительностью, комбинация колес и профилей является лучшим выбором для многих самодельных 3D-принтеров.

Преимущества

• Хорошие навигационные характеристики, дешево и полезно;
• Множество вариантов, широко доступных;
• Легко устанавливать, использовать и модифицировать;

Недостатки

• Меньшая точность;
• Более подвержены вибрации;
• Требует более частого обслуживания.

Линейные стержни и подшипники

Ограничения, связанные с колесными и профильными направляющими, побудили домашних мастеров и производителей обратить внимание на другую комбинацию, обеспечивающую превосходную точность и стабильность — линейные направляющие с подшипниками. В последние несколько лет направляющие с подшипниками и стержнями стали практически синонимом систем направляющих для 3D-принтеров. Для каждой оси принтера требуется как минимум два стержня и два подшипника. Подшипники либо охватывают стержни, либо крепятся к ним, соединяясь с каретками, установленными на экструдере или нагреваемом столе, для управления линейным перемещением.

Линейный стержень, также известный как гладкий стержень, — это цилиндрический стальной стержень, доступный в различных размерах. 3D-принтеры обычно используют стержни диаметром 8 мм. Стержни можно обрабатывать с высокой точностью размеров и придавать им очень гладкую поверхность. В сочетании с шарикоподшипниками правильно собранные стержни могут обеспечивать довольно хорошие линейные перемещения.

Да, у гладкости есть и недостатки. При использовании в качестве направляющих стержни необходимо фиксировать с обоих концов металлическими зажимами. Кроме того, подшипники могут не только линейно перемещаться, но и вращаться на 360° вокруг цилиндров. Поэтому их необходимо крепить к подшипникам на другом параллельном стержне, чтобы обеспечить линейное перемещение экструдера или нагреваемого стола. Добиться параллельности между двумя стержнями может быть непросто, особенно для мастеров-любителей.

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

В качестве подшипников для штоков используются преимущественно U-образные подшипники и линейные подшипники, изготовленные полностью из стали. U-образные подшипники напоминают колеса, которые могут катиться по штокам. Линейные подшипники имеют цилиндрическую втулку снаружи и несколько рядов шариков внутри, которые могут циклически перемещаться по валу. Оба типа обеспечивают плавное перемещение с минимальным трением.

Шатуны и подшипники долговечны, требуя лишь периодической очистки от нагара и смазки подшипников. Если шатуны заключены в корпус, а не служат рамой, разборка корпуса и смазка подшипников не составит труда. Однако замена изношенных подшипников после длительного использования может быть довольно сложной.

Преимущества

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

Недостатки

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

Линейные рельсы

Линейные рельсы, также называемые линейными направляющими, стали трендом в последние годы. Стальная рельсовая часть имеет дорожки с каждой стороны, а установленные на ней каретки содержат два комплекта шарикоподшипников, которые могут перемещаться по дорожкам. Помимо промышленных 3D-принтеров, всё больше производителей настольных систем используют линейные рельсы в своих высокотехнологичных линейках продукции.

Хотя оба типа изготовлены из стали, линейные направляющие в реальных условиях эксплуатации менее подвержены изгибу и вибрации по сравнению со стержнями. Это обусловлено, главным образом, их уникальным способом крепления. Стержни закреплены только с обоих концов, в то время как линейные направляющие имеют монтажные отверстия, расположенные на поверхности с регулярными интервалами, что позволяет надёжно закрепить их на корпусе или других опорных конструкциях.

Это, с одной стороны, обеспечивает стабильное линейное движение и улучшает качество печати, а с другой — увеличивает предел скорости, предотвращая чрезмерную тряску на высоких скоростях. Это одна из причин, по которой J1 может печатать так быстро.

При сборке линейные направляющие могут направлять одну ось без спаривания, что экономит место и вес, делая машину более лёгкой и компактной. Кроме того, не нужно беспокоиться о параллельности направляющих.

Звучит заманчиво, но в чём подвох? В цене. Грубые расчёты показывают, что, хотя каретки для линейных направляющих стоят примерно столько же, сколько подшипники для штанг, сами направляющие стоят примерно в 2,5–4 раза дороже пары штанг той же длины. Для сравнения, штанги дешёвые и достаточно качественные. Взвесив дополнительную стоимость и выигрыш в производительности, большинство мастеров-любителей всё равно выберут штанги с подшипниками.

Техническое обслуживание линейных направляющих аналогично предыдущему типу: требуется регулярная смазка подшипников. Открытые направляющие 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 напрямую использовать приведенные выше руководства, некоторые производители в целях расширения технических возможностей или удовлетворения потребностей конкретных продуктов также изучают более эффективные решения.

Основные преимущества линейных направляющих заключаются в высокой жёсткости стальных направляющих и точном, плавном движении, обеспечиваемом шарикоподшипниками. Эти преимущества сохраняются и во встраиваемых линейных направляющих.

При изготовлении линейных модулей компания FUYU встраивает две стальные полосы во внутренние стенки корпуса из алюминиевого сплава, а затем с помощью ЧПУ шлифует сталь в рельсы с точностью обработки до микрона. Кроме того, более широкие встроенные рельсы дополнительно повышают жёсткость без увеличения веса, что лучше подходит для высокопроизводительных операций с ЧПУ — в конце концов, обычным 3D-принтерам такая высокая жёсткость не требуется.

По сравнению с прямым монтажом линейных направляющих на поверхность профилей, встраивание стальных направляющих внутрь линейных модулей предотвращает накопление пыли на направляющих, сокращая частоту технического обслуживания. Кроме того, это делает модули более лёгкими и компактными, благодаря чему дорогостоящий станок не выглядит как самоделка. Однако встраивание линейных направляющих создаёт для производителя значительные производственные сложности, не давая при этом 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.