Жесткость корпуса 3D-принтера
Печатая на своем Wanhao Duplicator i3 Mini, все больше и больше понимаю, что его возможностей мне не хватает. И область печати у него маленькая (120 х 135 х 100), и есть ограничения по применяемым материалам. В связи с этим и с постоянно растущим моим интересом к конструкциям различных принтеров появилось желание сделать свой 3D-принтер, а не покупать готовый более продвинутый.
И первое с чего я начал, это обдумывать конструкцию корпуса.
Кому удобнее смотреть в формате видео, то вот ссылка на ролик.
Существует большое разнообразие конструкций корпусов 3D-принтеров, и, на мой взгляд, существенной характеристикой любого корпуса будет являться его жесткость. Опытные мейкеры в качестве корпуса рекомендуют использовать два варианта:
- каркас из металлических листов;
- каркас из конструкционного профиля.
При этом считается, что от печатных деталей в конструкции корпуса лучше уходить. Если же в конструкции корпуса присутствуют напечатанные детали, то такой 3D-принтер будет иметь некоторые ограничения по максимальным ускорениям и скорости печати.
Каких-либо количественных сравнений жесткости корпусов принтеров я особо не встречал. Как правило, все результаты получены опытным путем от людей, которые самостоятельно собрали далеко не один 3D-принтер. В связи с этим мне стало интересно проверить статическую жесткость различных вариантов корпусов 3D-принтеров. Я взял несколько наиболее распространенных. Первый корпус – это корпус принтера Prusa i3 стальной, толщина материала 3 мм.
Второй рассмотренный корпус – это корпус принтера Ultimaker 2. Материал – сталь, толщина 3 мм.
Затем я рассмотрел несколько вариантов корпусов, сделанных из конструкционного профиля 20х20 мм. Материал – алюминий. Вот первый вариант:
Второй вариант усилен Г-соединителями размером 60х60 мм и толщиной 2 мм
И последний рассмотренный вариант – это вариант корпуса, усиленный диагональными конструктивными элементами. При этом одна из боковых стенок открыта, так как через нее осуществляется работа со столом 3D-принтера.
Все рассмотренные модели имеют сопоставимые размеры области печати, что наглядно нам продемонстрирует разницу в жесткости.
Относительно последнего варианта самодельного корпуса с диагональными элементами проведу небольшую демонстрацию с детским конструктором, чтобы показать на сколько диагонали могут увеличить жесткость.
Из детского конструктора сделана квадратная ферма. В каждом из четырех узлов фермы находится шарнир и ее можно легко деформировать.
Теперь добавим диагональный элемент.
После этого ферма стала полностью неподвижной, несмотря на то, что в каждом из ее четырех узлов по-прежнему шарнир, то есть элемент с нулевой жесткостью на кручение.
Переходим к результатам расчетов. Все расчеты выполнены методом конечных элементов в бесплатной программе Z88 Aurora V5. В качестве расчетной схемы для всех корпусов принтеров выбрана следующая схема:
Как видно из рисунка низ принтера закреплялся, а к верхней части прикладывалась нагрузка 10 кг по осям X и Y раздельно. Сначала по оси X, затем по оси Y. Результатом расчетов является величина перемещений корпуса в миллиметрах. Анимацию деформации всех корпусов можно посмотреть на видео из начала статьи.
Результаты для корпуса принтера Prusa i3. Масштаб деформаций увеличен для наглядности. Деформация по оси X:
Деформация по оси Y:
Далее результаты для корпуса принтера Ultimaker 2. Деформация по оси X:
Можно видеть, что за счет жесткости задней сплошной стенки, основная деформация происходит в области передней стенки корпуса.
Деформация по оси Y:
А теперь перейдем к результатам расчета вариантов корпусов, часто применяемых в самодельных 3D-принтерах. Первая версия не имеет никаких усиливающих элементов. Такую конструкцию можно приближенно считать конструкцией корпуса, в которой применены напечатанные соединительные элементы, жесткость которых оставляет желать лучшего.
В силу того, что корпус симметричен, нагрузка прикладывалась только один раз по одной оси:
Следующий вариант самодельного корпуса усилен уголками, так называемыми Г-соединителями, размером 60х60 мм. В силу симметрии нагрузка также прикладывалась только один раз.
Как мы видим, в сравнении с первой версией, величина деформации существенно снизилась.
И последний вариант самодельного корпуса, усиленный диагональными элементами. Так как этот вариант корпуса не симметричен, то нагрузка прикладывалась по осям X и Y. Деформация по оси X:
Можно видеть, что по оси Х существенного увеличения жесткости нет, в сравнении с вариантом, усиленным Г-соединителями. При этом из рисунка видно, что основные деформации сосредоточены в передней рамке корпуса, где нет диагонального элемента.
Деформация по оси Y:
При этом величина деформаций по оси Y значительно ниже и сопоставима с величиной деформаций корпуса принтера Ultimaker 2.
На гистограмме представлены результаты расчета всех корпусов:
Как мы видим, победителем оказался корпус принтера Ultimaker 2 – деформации данного корпуса оказались минимальны. Второе место занял корпус принтера Prusa i3. А затем расположились различные варианты самодельного корпуса, которые обозначены как RepRap.
Обратите внимание на довольно существенную разницу в жесткости между всеми вариантами самодельного корпуса и корпусами Prusa i3 и Ultimaker 2. Только вариант самодельного корпуса с диагональными элементами смог приблизиться к ним по жесткости и только по одной оси. При этом маленькая жесткость этого варианта по оси X объясняется отсутствием диагонали на передней стенке.
Далее я рассмотрю несколько вариантов усиления данного корпуса с целью увеличения его жесткости.
С учетом того, что лидером по жесткости оказался корпус принтера Ultimaker 2, как первый вариант усиления решил рассмотреть добавление стенки толщиной 3 мм на переднюю рамку принтера:
Такое усиление позволило увеличить жесткость корпуса по оси X примерно в два раза.
В качестве следующего варианта усиления корпуса на переднюю панель были добавлены Г-соединители размером 60х60 мм:
Данный вариант уже не на так сильно увеличивает жесткость корпуса.
В качестве последнего варианта доработки была добавлена диагональ на верхнюю стенку корпуса:
Для такой доработки жесткость оказалась сопоставима с вариантом добавления стенки 3 мм на переднюю панель.
Далее привожу гистограмму сравнения всех рассмотренных вариантов самодельного корпуса с корпусом принтера Ultimaker 2.
Можно видеть, что при создании корпуса из конструкционных профилей достичь жесткости, сопоставимой с корпусом из листового материала нам не удалось. Максимально близким получился вариант корпуса с диагональными элементами и передней панелью из листа 3 мм.
Выводы из расчетов:
Во-первых, еще раз подтверждается мнение опытных принтеростроителей, что корпус, сделанный из листового металла самый жесткий и прочный.
Во-вторых, сделать корпус из конструкционных профилей можно, но для этого нам потребуется пожертвовать удобством или эстетичностью внешнего вида корпуса. К примеру, добавление диагоналей не всегда удобно в плане компоновки элементов 3D-принтера.
Надеюсь полученные результаты будут вам полезны. На этом пока все.
Еще больше интересных статей
Наконец оно поехало. Кубиссимо.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Дополнения к разборному термобоксу
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Печать 4-мя сменными соплами в массы! Часть 1.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Работа над реализацией печа...
Комментарии и вопросы
Ну не все так сложно. Вот боле...
Она у всех лагает, и на Х1 так...
https://everest-razors.ru/kata...
Здравствуйте, установил klippe...
Всем привет. Имею принтер ульт...
Халоу народ, помогите нубу, по...
Принтер AQUILA s2Прошивка Alex...