Виды кинематики в FDM 3D принтерах

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.

А перед тем как мы начнем, подпишитесь на наш Telegram! Там мы каждые две недели дарим 3D принтер! Все подробности о розыгрыше в посте в Telegram! А еще мы запустили творческий конкурс на лучшую напечатанную модель для подписчиков нашего канала!

Качество и скорость печати напрямую зависят от типа кинематики принтера, поэтому выбор подходящей системы является ключевым аспектом для достижения оптимальных результатов.

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
• Визитка LIDER-3D

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.

b>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.

Всем спасибо, материал подготовила команда специалистов компании LIDER-3D, будем рады вашим вопросам в комментариях.

Если вы хотите приобрести оборудование, расходные материалы для аддитивного производства, 3D сканеры, станки и многое другое - вы можете получить детальную консультацию специалиста обратившись к нам в LIDER-3D, а также приобрести данную продукцию у нас на сайте.

Подписывайтесь на нас в социальных сетях: Telegram, ВКонтакте, Я.Дзен, RuTube, YouTube, Одноклассники чтобы первыми получать самые интересные материалы!

Реклама. ООО "ЦИФРОВОЕ РЕМЕСЛО". ИНН: 9726000832