Виды кинематики в FDM 3D принтерах
В этом материале расскажем про все виды кинематики в FDM 3D принтерах, а так же о некоторых модификациях и экспериментальных системах!
Здравствуйте! С вами LIDER-3D!
В данной статье рассмотрим виды кинематики, используемые в FDM 3D принтерах. FDM технология является одной из наиболее популярных в сфере 3D печати благодаря своей доступности, простоте использования и возможности работы с широким спектром материалов. FDM технология печати это самая первая и старая технология 3D печати. В целом все 3D принтеры с технологией FDM работают одинаково - модель создается путем послойного наплавления пластика.
Качество и скорость печати напрямую зависят от типа кинематики принтера, поэтому выбор подходящей системы является ключевым аспектом для достижения оптимальных результатов.
Перед тем как мы начнем подпишитесь на наш Telegram, там мы проводим розыгрыш пластика из нашей линейки LIDER-3D Classic!
Содержание
- Картезианская кинематика
- CoreXY
- H-Bot
- PRUSA
- Кинематика "Makerbot"
- Кинематика "Ultimaker"
- Дельта-кинематика
- SCARA
- Полярная кинематика
- Портальная кинематика
- Гибридная кинематика
- Проблемы и решения в кинематике
- Будущие тенденции и инновации
- Кинематика XY/2
- Пятиосевые принтеры
- Конвейерный тип
- Заключение
Картезианская кинематика
Картезианская кинематика — это самая распространенная система в FDM 3D принтерах. Она получила свое название благодаря использованию декартовых координат для перемещения печатающей головки. В этой системе оси X, Y, и Z перемещаются перпендикулярно друг другу, что обеспечивает высокую точность и простоту в управлении. Преимуществами картезианской кинематики являются легкость калибровки, простота конструкции и возможность точного контроля положения печатающей головки. Однако, большие размеры и масса подвижных частей могут снижать скорость печати и увеличивать вибрации, особенно на высоких скоростях.
К картезианской кинематике относятся CoreXY, H-Bot, Prusia и вариации Prusa типа консольных 3D принтеров.
CoreXY
Кинематическая схема CoreXY является модификацией картезианской системы, предлагая улучшенную скорость и точность за счет более сложной передачи движения. В системе CoreXY движение по осям X и Y достигается путем синхронной работы двух моторов, что позволяет уменьшить инерцию и повысить скорость печати. Эта система также обладает хорошей масштабируемостью и позволяет создавать принтеры с большим рабочим объемом без значительного увеличения вибраций и потери точности.
Преимущества:
Скорость и точность: Уменьшение подвижной массы позволяет выполнять более быстрые и точные движения.
Компактность: Ременная система может привести к созданию более компактной конструкции.
Ограничения:
Сложность: Ременная система может быть сложной в настройке и регулировке.
Обслуживание: Натяжение и износ ремня могут со временем повлиять на производительность.
H-Bot
H-Bot кинематика представляет собой вариацию системы CoreXY, где перемещение по осям X и Y осуществляется с помощью одного движущего ремня. Это обеспечивает простоту конструкции и уменьшение веса подвижных частей. Несмотря на свою эффективность в некоторых приложениях, система H-Bot может страдать от проблем с точностью из-за упругости и деформации ремня при высоких скоростях печати.
Преимущества конфигурации H-Bot включают в себя простоту, скорость и уменьшение массы движущихся частей, что потенциально может привести к более быстрой и точной печати. Однако, как и любая кинематическая система, она имеет свои ограничения и особенности.
PRUSA
Пруша (Prusa), в народе известная как “дрыгостол” - простейшая, компактная недорогая схема, названная в честь своего изобретателя, самая продаваемая разновидность принтеров в бытовом настольном сегменте.
Рабочий стол подвижен в одной горизонтальной оси, как правило, Y, экструдер движется по остальным двум. За каждое направление отвечает свой двигатель, на некоторых моделях за ось Z абсолютно одновременно работают два.
Преимущества:
Простая конструкция, которую вполне можно собрать самостоятельно, невысокая цена комплектующих и самого принтера.
Ограничения:
Открытая рабочая камера. Это ухудшает качество печати материалами, которые чувствительны к перепадам температур. Инертность, связанная с нагревательным столом 3D принтера. Стол перемещается по оси Y с немалой скоростью, а вместе с ним при печати перемещается и сама модель. В итоге, при печати высоких и тонких моделей на больших скоростях сильно ухудшается качество результата печати.
Консольная кинематика - является разновидностью Пруши, в целом то же самое, только "ополовиненная": вертикальная стойка в наличии всего одна. Из сомнительных преимуществ - чуть меньший габаритный размер по ширине, в остальном все хуже, из-за жёсткости страдают точность и скорость. Может быть использован для демонстрации принципов FDM технологии, так как стол закрыт минимально и весь процесс печати прекрасно виден.
Кинематика "Makerbot"
На первый взгляд эта кинематика похожа на Core XY и H Bot, печатающая голова перемещается по осям Х и Y, а стол 3д принтера перемещается по вертикальной оси Z. Её отличие в том, что для осей X и Y используются разные ремни и шаговые двигатели. Один шаговый двигатель перемещается по оси У вместе с кареткой экструдера, он отвечает за перемещение печатающей головы по оси Х, контролируя их через отдельный зубчатый ремень. А за перемещения по оси Y отвечает другой шаговый двигатель и своя система ремней.
Кинематика "Ultimaker"
Ещё одна кинематика, в которой стол перемещается вертикально, а печатающая голова в двух осях, Х и У. Её основное отличие – направляющие валы, расположенные перпендикулярно друг к другу и проходящие сквозь каретку хотэнда или экструдера. Эти валы должны быть по возможности максимально ровными. От этого напрямую зависит как работоспособность принтера, так и качество его печати.
Также, особое внимание в этой кинематике нужно уделить и подшипникам скольжения. Обычно в качестве подшипников используют втулки. Управление перемещениями по осям Х и У разделено. Двигатели установлены на корпус принтера и не усложняют перемещение своим весом. Для каждой оси отдельно используется свой шаговый двигатель и отдельные зубчатые ремни, часто замкнутые. Непосредственно к печатающей голове ремни здесь присоединять не придётся.
Дельта-кинематика
Дельта-кинематика отличается от картезианской своей уникальной структурой, где три параллельных рычага управляют положением печатающей головки. Эта система позволяет достигать высокой скорости печати и уменьшает количество движущихся масс, что снижает вибрации.
В таких популярных конфигурациях, как Rostock и Kossel, для перемещения печатающей головки используются три рычага. Однако они могут столкнуться с проблемами в плане точности, особенно на краях печатного стола.
Конструкция дельта-принтеров сложнее в настройке и калибровке, а также требует более сложного программного обеспечения для управления.
Преимущества:
Скорость: Возможность очень высокой скорости печати благодаря облегченному узлу печатающей головки.
Объем заготовки: Как правило, имеет большую площадь запечатывания, что очень удобно для конкретных задач.
Ограничения:
Сложность: Калибровка и обслуживание могут быть более сложными, чем в декартовых системах.
Точность: Нелинейные алгоритмы перемещения могут привести к снижению точности, особенно на краях области сборки.
SCARA
Кинематика Selective Compliance Assembly Robot Arm (SCARA) представляет собой конструкцию роботизированной руки для 3D-печати. Эта система обеспечивает отличную скорость и точность, что делает ее подходящей для приложений, где важна быстрая и точная печать. Кинематика SCARA часто встречается в промышленных условиях, где эффективность имеет первостепенное значение.
Полярная кинематика
Полярная кинематика отходит от традиционной декартовой сетки и использует систему кругового движения, представляет собой систему с вращательным движением, где две оси вращаются вокруг вертикальных осей, а третья ось обеспечивает вертикальное движение.
Такая конфигурация встречается реже, но обладает уникальными преимуществами, в частности, простотой и возможностью высокоскоростной печати. Полярные принтеры часто используются в специализированных приложениях, где преобладает круговая или изогнутая геометрия. Эта система может обеспечивать высокую скорость печати и точность в определенных условиях, но имеет ограниченный рабочий объем и сложна в настройке и программировании.
Преимущества:
Эффективность для круглых объектов: Идеально подходит для печати круглых или цилиндрических объектов.
Масштабируемость: Потенциально позволяет увеличить объем сборки в компактном пространстве.
Ограничения:
Сложное программное обеспечение: Требуется специализированное программное обеспечение для преобразования декартовых координат в полярные.
Неравномерное разрешение: Разрешение печати может отличаться по всей области сборки.
Портальная кинематика
Портальные системы представляют собой неподвижную раму с подвижным порталом, на котором расположена печатающая головка. Такая конфигурация обеспечивает стабильность и масштабируемость, что делает ее подходящей для широкоформатных принтеров. Портальная кинематика обычно используется в промышленных условиях, где основное внимание уделяется изготовлению больших отпечатков с высокой точностью.
Гибридная кинематика
Гибридная кинематика представляет собой объединение различных систем, чтобы использовать сильные стороны каждой из них. Например, сочетание элементов декартовой и дельта-кинематики позволяет достичь баланса между скоростью и точностью. Гибридные системы обеспечивают производителям гибкость, позволяя подбирать кинематическую конфигурацию в соответствии с конкретными требованиями печати.
Проблемы и решения в кинематике
Несмотря на достижения в области кинематических систем, проблемы остаются. Такие проблемы, как резонанс, люфт и сложные процессы калибровки, могут влиять на качество печати. Исследователи и производители активно решают эти проблемы, внедряя инновационные решения, такие как передовые алгоритмы управления, более совершенные технологии двигателей и улучшенные методы калибровки.
Будущие тенденции и инновации
Заглядывая в будущее, можно сказать, что мир FDM 3D-печати ожидают захватывающие разработки в области кинематики. Исследователи изучают новые конфигурации, материалы и программные алгоритмы для дальнейшего повышения скорости, точности и универсальности печати. Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения в кинематические системы управления является перспективным направлением для создания самооптимизирующихся принтеров.
Кинематика XY/2
Если говорить о довольно свежих кинематических системах, нельзя не упомянуть кинематику XY\2.
В ней каждый мотор отвечает за движение по своей оси. На портале установлены только ролики, двигатели ХУ вынесены с портала.
За счёт ременного редуктора (полиспаста) редукция 1:2, то есть на 1 мм движения ремня, на шпули двигателя приходится 0,5 мм движения каретки по соответствующей оси.
В кинематике есть синхронизирующий вал. Для концов балки Х имеет место «синхронизация» движения ремнём, подобная CoreXY/makerbot (в противоположность H-bot), т.е. при движении не возникают усилия и соответственно перекоса балки. Синхронность обеспечивается валом (как у makerbot).
На базе такой кинематики легко сделать IDEX систему натянув поверх схемы второй ремень Х ко второй каретке и получится IDEX. Странно и интересно в этой кинематике то, что кинематика оси Х не обычная, а вот по оси Y тот же самый makerbot с полиспастами. С полным разбором данной кинематики можно ознакомится по этой ссылке, огромное спасибо пользователю SJDunker за его пост про данную систему на сайте 3D-Today!
Пятиосевые принтеры
5D принтер – пятиосевое устройство, которое позволяет наклонять и вращать деталь в процессе ее производства, и в этом ее основное визуальное отличие от 3D-принтеров. Детали при этом получаются в четыре раза прочнее, чем изготовленные на стандартных 3D-принтерах, время производства сокращается. Технология применима в совершенно разных отраслях: авиации, автомобилестроении, протезировании, строительстве.
Слои и положения нитей пластика в модели теперь могут быть расположены не параллельно, а многими другими способами. Это позволяет получать напечатанные модели в разы более высокой прочностью. Помимо этого, благодаря возможности продолжать печать буквально сбоку модели, есть возможность избавиться от огромного количества поддерживающих структур, которые в 3д принтерах необходимо печатать параллельно с деталью, для того, чтобы сохранить нужную геометрию у результата печати. Одновременное использование пяти осей позволяет без особых технических сложностей получать напечатанные модели намного более сложной геометрической формы, если сравнивать с классическими 3D принтерами.
Конвейерный тип
Конвейерный 3D-принтер - это по сути модифицированные FDM 3D-принтеры, которые могут автоматически удалять готовые детали и сразу печатать следующие. Еще такие принтеры могут печатать модели размеры которых превышают размеры изначального устройства.
В конвейерном 3D-принтере вместо того, чтобы располагать оси X и Y параллельно сборочной пластине, они поворачиваются под углом. Этот угол может быть разным, но обычно составляет 45 градусов или меньше. Вместо жесткой пластины для сборки, которая движется в одном направлении, ось Z заменяется конвейерной лентой.
Заключение
Выбор кинематики для FDM 3D принтера зависит от множества факторов, включая желаемую скорость печати, точность, размер печатаемых объектов и бюджет. Картезианская система предлагает хорошее сочетание простоты и точности для начинающих и среднего уровня применений. Дельта и CoreXY кинематики подходят для более продвинутых пользователей, ищущих высокую скорость и качество печати. SCARA и H-Bot могут быть интересны для специализированных приложений, где требуются их уникальные характеристики. Однако, независимо от выбранной кинематики, важно тщательно подходить к настройке и калибровке 3D принтера для достижения оптимальных результатов.
Разнообразие кинематики в FDM 3D-принтерах предлагает ряд вариантов как для производителей, так и для любителей. Каждая система имеет свой набор преимуществ и проблем, что влияет на выбор в зависимости от конкретных требований. По мере развития технологий мы можем ожидать появления еще более сложных и эффективных кинематических систем, расширяющих возможности FDM 3D-принтеров.
Предыдущие наши статьи:
