Технологія 3D-друку розвивається семимильними кроками. В одну мить ми обговорюємо створення маленьких іграшок для розваги дітей, а наступної миті бачимо новини про те, що 3D-принтер побудував бетонну будівлю, здатну витримати землетрус магнітудою 8 балів. З часом «3D-друк на 3D-принтері» також здається можливим.

Але якщо залишити осторонь перспективи, то аматорів та виробників більше хвилюють настільні 3D-принтери — які бувають типи, як швидко вони друкують і скільки коштують. Якщо ви любите докопуватися до суті речей або коли-небудь пробували зробити 3D-принтер самостійно, ви, мабуть, також замислювалися над цим питанням: як вони рухаються?

XYZ, I3 та CoreXY наразі є найпопулярнішими типами настільних 3D-принтерів. Ось як вони рухаються: машина має одну або кілька осей у напрямках X, Y та Z 3D-системи координат. Один кінець кожної осі оснащений двигуном для забезпечення живлення. Синхронні ремені або ходові гвинти потім перетворюють обертання двигуна на лінійний рух вздовж напрямків X, Y та Z. Нарешті, завдяки лінійним напрямним рейковим системам у 3 напрямках, машина може розташувати сопло в будь-якій точці 3D-простору, утвореного осями, екструдувати нитку та створювати 3D-об'єкт.

Чому важливі системи напрямних?

Направляючі системи під час друку виконують головним чином 3 функції:

1. Точність: Забезпечення жорсткої точність, запобігання коливанню та забезпечення лінійного руху друкуючої головки або нагрітого ліжка, встановленого на напрямних, у заданому напрямку;
2. Плавність: Зменшують тертя з підшипниками або роликами та сприяють плавнішому руху;
3. Надійність: Напрямні конструкції з відмінною жорсткістю можуть підвищити надійність машини та сприяти більш стабільним відбиткам з часом.

Різноманітність напрямних систем

Загалом, системи напрямних, що використовуються в 3D-принтерах, включають:

1. Колеса та профілі
2. Лінійні стрижні та підшипники
3. Лінійні рейки
4. Вбудовані лінійні рейки

Колеса та профілі

Серед усіх напрямних, комбінація коліс та профілів, ймовірно, є найпоширенішою та економічно ефективною. Зазвичай вздовж V-подібної або Т-подібної канавки профілю рухаються від 3 до 4 роликів, які спрямовують рухи.

Зовнішнє кільце коліс найчастіше виготовляється з POM (поліформальдегіду), а внутрішнє кільце — зі сталі та кулькових підшипників. POM має високу міцність, низьку деформацію та чудову стійкість до стирання, що робить його особливо придатним для виготовлення коліс принтерів. За правильного використання ролики з POM можуть служити сотні годин. Деякі виробники також використовують PC (полікарбонат) для виготовлення коліс, які мають ще вищу міцність та довший термін служби, хоча й за дещо вищою ціною.

Щоб забезпечити лінійний рух, колеса повинні належним чином зчіплюватися з профілями. Занадто вільне затягування може призвести до вібрації на високих швидкостях. Занадто туге затягування збільшить знос — накопичене сміття може накопичуватися між колесами та рейками, спричиняючи нерівний або тремтячий рух. Тому користувачам потрібно регулювати затягування колес залежно від того, як працює принтер, очищати сміття та замінювати колеса за потреби. Порівняно з іншими напрямними, комбінація колеса та профілю потребує частішого обслуговування.

Крім того, пластик має меншу жорсткість, ніж метали. Деформації колеса під час руху важко уникнути, тому принтери, що використовують колеса, зазвичай мають нижчу точність порівняно з тими, що мають сталеві напрямні.

Профілі, які зазвичай використовуються на 3D-принтерах, доступні у двох типах: V-подібні профілі та Т-подібні профілі. Як випливає з назви, основна відмінність між ними полягає у формі поперечного перерізу. Різні профілі поєднуються з різними колесами для досягнення хорошого ефекту напрямлення.

Оскільки профілі можна налаштовувати, вони недорогі та мають достатню продуктивність, комбінація коліс та профілів є найкращим вибором для багатьох саморобних 3D-принтерів.

Переваги

• Гарні керуючі характеристики, дешевий та корисний;
• Широкий вибір, широка доступність;
• Легко встановлювати, використовувати та модифікувати;

Недоліки

• Нижча точність;
• Більш схильний до вібрації;
• Потребує частішого обслуговування.

Лінійні стрижні та підшипники

Обмеження напрямних коліс та профілів спонукали самостійних майстрів та виробників звернути більше уваги на іншу комбінацію з підвищеною точністю та стабільністю — лінійні стрижні та підшипники. За останні кілька років напрямні стрижнів та підшипників стали майже синонімом напрямних систем для 3D-принтерів. Для кожної осі принтера потрібно щонайменше 2 стрижні та 2 підшипники. Підшипники або обмотуються, або чіпляються за стрижні, з'єднуючись з каретками, встановленими за допомогою екструдера або нагрівального ліжка, для керування лінійним рухом.

Лінійний стрижень, також відомий як гладкий стрижень, — це просто циліндричний сталевий стрижень, доступний у різних розмірах — 3D-принтери зазвичай використовують стрижні діаметром 8 мм. Стрижні можна обробляти з високою точністю до розмірів та дуже гладкими поверхнями. У поєднанні з кульковими підшипниками правильно зібрані стрижні можуть досягати досить хороших лінійних рухів.

І так, є також недоліки плавності. При використанні для направляючих, стрижні потрібно закріплювати з обох кінців металевими затискачами. Крім того, підшипники можуть не тільки рухатися лінійно, але й обертатися на 360° навколо циліндрів. Ось чому їх потрібно кріпити до підшипників на іншому паралельному стрижні, щоб екструдер або нагріте ліжко могли рухатися лінійно. Паралельність між двома стрижнями може бути складною, особливо для саморобних майстрів.

Отже, використання напрямних валів означає, з одного боку, вищу точність і стабільність, але також більшу площу та вагу, а також більшу складність складання, з іншого.

Підшипники, що використовуються зі стрижнями, в основному є U-подібними підшипниками та лінійними підшипниками, повністю виготовленими зі сталі. U-подібні підшипники нагадують колеса, які можуть котитися вздовж стрижнів. Лінійні підшипники мають циліндричну втулку зовні, а всередині кілька рядів кульок можуть обертатися вздовж вала. Обидва типи підшипників можуть забезпечувати плавне ведення з мінімальним тертям.

Штоки та підшипники довговічні, потребують лише періодичного очищення від накопичень на них та змащування підшипників. Якщо штоки укладені в корпус, а не виконують роль рами, розбирання корпусу та змащування підшипників є нескладним. Однак заміна зношених підшипників після тривалого використання може бути дещо складною.

Переваги

• Відмінна керівна продуктивність, висока точність, помірна вартість;
• Широкий вибір, широка доступність;
• Низька частота технічного обслуговування;

Недоліки

• Більша площа та вага у закритому вигляді;
• Паралелізм може бути проблемою;
• Заміна підшипників може бути складною.

Лінійні рейки

Лінійна рейка, яку також називають лінійною напрямною, була в тренді останніми роками. Сталева рейка має рейки з кожного боку, а повзунки, розташовані на ній, містять 2 комплекти кулькових підшипників, які можуть переміщатися вздовж рейок. Окрім промислових 3D-принтерів, все більше виробників настільних комп'ютерів також використовують лінійні рейки у своїх лінійках високоякісної продукції.

Хоча обидва виготовлені зі сталі, у реальній роботі лінійні рейки менш схильні до вигину та вібрації порівняно зі стрижнями. Це головним чином пов'язано з їхнім унікальним методом кріплення. Стрижні закріплені лише на обох кінцях, тоді як лінійні рейки мають монтажні отвори з рівними інтервалами на поверхні, що дозволяє щільно закріпити їх на корпусі або інших опорних конструкціях.

Це, з одного боку, забезпечує стабільний лінійний рух і покращує якість друку, а з іншого – збільшує обмеження швидкості, запобігаючи надмірному тремтінню на високих швидкостях. Це одна з причин, чому J1 може досягати високошвидкісного друку.

Під час складання лінійні напрямні можуть керувати однією віссю без сполучення, що заощаджує простір і вагу, роблячи машину легшою та компактнішою. ​​Також не потрібно турбуватися про паралельність напрямних.

Звучить чудово, але в чому ж підступ? У ціні. Приблизні розрахунки показують, що хоча повзуни для лінійних рейок мають схожу ціну зі підшипниками для стрижнів, самі рейки коштують приблизно в 2,5–4 рази дорожче, ніж пара стрижнів еквівалентної довжини. Для порівняння, стрижні дешеві та достатньо якісні. Зважуючи додаткові витрати та покращення продуктивності, більшість саморобних майстрів все одно оберуть стрижні та підшипники.

Щодо технічного обслуговування, лінійні рейки подібні до перших, потребуючи регулярного змащування підшипників. Відкриті рейки також потребують періодичного очищення.

Переваги

• Дуже висока точність;
• Підтримує високошвидкісний друк;
• Компактний розмір, зручний у використанні;

Недоліки

• Не можуть служити опорними конструкціями, потребують встановлення на профілі тощо;
• Дорого.

Вбудовані лінійні рейки

Замість того, щоб використовувати вищезазначені посібники безпосередньо, деякі виробники, з метою розвитку технічних можливостей або обслуговування конкретних продуктів, також досліджують кращі рішення.

Основні переваги лінійних рейок полягають у високій жорсткості сталевих рейок та точному, плавному русі, що забезпечується кульковими підшипниками. Ці переваги зберігаються і у вбудованих лінійних рейках.

Під час виготовлення лінійних модулів FUYU вбудовує дві сталеві смуги у внутрішні стінки корпусу з алюмінієвого сплаву, потім ЧПК точно шліфує сталь у рейки з точністю обробки на мікронному рівні. Крім того, завдяки ширшим вбудованим рейкам жорсткість ще більше підвищується без збільшення ваги, що краще підходить для потужних операцій з ЧПК — зрештою, звичайні 3D-принтери не потребують такої надзвичайної жорсткості.

Порівняно з безпосереднім монтажем лінійних рейок на поверхню екструзійних елементів, вбудовування сталевих рейок всередину лінійних модулів запобігає накопиченню пилу на рейках, зменшуючи частоту технічного обслуговування. Це також робить модулі легшими та компактнішими, завдяки чому дорога машина не виглядає як проект ентузіаста-аматора. Однак, вбудовування лінійних рейок створює значні виробничі труднощі для виробника, не маючи переваги у вартості порівняно зі звичайними лінійними рейками.

Переваги

• Те саме, що й лінійні рейки: дуже висока точність, підтримує високошвидкісний друк, займає мало місця;
• Жорсткість рейки ще більше покращена;
• Менша частота технічного обслуговування завдяки закритим рейкам;

Недоліки

• Дорого;
• Не підходить для самостійного виготовлення.