Разновидности кинематик FDM 3D-принтеров

Содержание

• О технологии FDM
• Разновидности основных кинематических схем, их преимущества и недостатки
• Выводы
• FAQ.

О технологии FDM

Технологии изготовления объемных предметов методом послойного наплавления материала более тридцати лет, она одна из самых первых, потому что идея ее проста и очевидна. Она же до сих пор самая популярная, и так будет еще долгое время, во всяком случае в быту, благодаря своим преимуществам. Достаточно высокое качество и точность, простота, а следовательно невысокая стоимость оборудования, материалов и готовых изделий - вот причины успеха FDM.

FFF-принтеры (Fused Filament Fabrication, «производство методом наплавления нитей»), также известны как принтеры FDM (от Fused Deposition Modelling, «моделирование методом наплавления»). Представляют собой устройства для создания трехмерных объектов, как понятно из названия, путем послойного нанесения на рабочую поверхность расплавленного термопластика.

Разумеется, у метода есть и недостатки, а именно:

• необходимость настраивать параметры печати под каждый вид пластика и даже на пластики одного типа разных производителей и партий,
• точность и разрешение по осям XY ограничена диаметром сопла,
• по оси Z образуются линии слоев, видимые и ощущаемые даже при минимальном шаге,
• нависающие части детали нуждаются в поддержке, что приводит к усложнению печати, перерасходу материала, снижению качества поверхности,
• структура детали получается неоднородной по прочности, поперек слоев максимальная выдерживаемая нагрузка ниже, чем вдоль,
• детали из пластиков, обладающих даже небольшой термоусадкой, коробятся при печати по причине неравномерного нагрева и остывания, отрываются от стола и искажают геометрические размеры,
• ограничение по физическим свойствам материалов печати.

Однако недостатки перекрываются плюсами. Вот они, включая упомянутые выше

• высокая скорость и низкая стоимость прототипирования,
• относительно простая и недорогая конструкция принтеров, доступная цена,
• большой выбор и невысокая стоимость расходных материалов,
• приемлемая скорость печати, по сравнению с другими технологиями,
• точность размеров порядка десятой миллиметра и выше, чего достаточно для подавляющего количества изделий,
• прочность, при некоторых материалах и правильно подобранных параметрах печати, приближается к прочности литых изделий.

Несмотря на то, что все принтеры FDM работают по одному принципу - послойному наплавлению - конструктивные отличия между отдельными их видами весьма существенны. Рассмотрим, в чем между ними разница, а также их сильные и слабые стороны.

Разновидности основных кинематических схем. Преимущества и недостатки

Основных частей у любого FDM принтера всего две: стол (он же платформа), на котором крепится печатаемая деталь, и экструдер - узел, из которого подается размягченный материал. Всего, как известно, у трехмерного объекта три оси - X, Y и Z, где Z - традиционно вертикальная. То, как два элемента принтера делят эти три направления, и является принципом работы каждого из видов.

Каждый 3D-принтер имеет собственную кинематическую схему, согласно которой приводятся в движение механические части устройства: платформы и экструдеры. Сейчас мы расскажем про распространённые кинематические схемы.

Картезианская кинематика

Самые распространенные – 3D-принтеры с картезианской кинематикой. Они основаны на декартовой системе координат, оси X, Y и Z. По ним задаются координаты, по которым печатающая головка и платформа стола меняют положение. Рассмотрим основные вариации перемещения в данной кинематике:

1. Платформа передвигается по одной из горизонтальных осей — X или Y, экструдер движется по второй горизонтальной оси, и по вертикальной оси Z.
2. Платформа перемещается по высоте, по оси Z, а экструдер передвигается по двум осям, вперед-назад и влево-вправо.
3. Платформа движется по двум осям, одна из которых – горизонтальная, а вторая вертикальная ось Z, экструдер - по другой горизонтальной оси. 
4. Платформа движется по двум горизонтальным осям Х и У, а экструдер перемещается только по оси Z.
5. Платформа неподвижна, экструдер передвигается по всем трем осям.

Сначала поговорим о кинематических схемах, в которых стол 3д принтера перемешается по одной из горизонтальных осей.

Кинематика "Prusa" (пруша)

Пруша (Prusa), также известный как “дрыгостол” - простейшая, компактная недорогая схема, названная в честь своего изобретателя, пожалуй, самая продаваемая разновидность принтеров в бытовом секторе. Стол подвижен в одной горизонтальной оси, как правило, Y, а экструдер движется по остальным двум. За каждое направление отвечает свой двигатель, на некоторых моделях за ось Z абсолютно одновременно работают два.

Плюсы:

• простая конструкция, которую вполне можно собрать самостоятельно,
• невысокая цена комплектующих и самого принтера,
• за процессом печати удобно наблюдать,
• лёгкий доступ к деталям, которым может понадобиться обслуживании

Минусы:

• открытая рабочая камера. Это ухудшает качество печати материалами, которые чувствительны к перепадам температур, а может и вовсе сделать её невозможной. Можно сделать камеру закрытой, собрав кубический колпак, например, из акрила, но это может сильно увеличить общие габариты корпуса принтера,
• инертность, связанная с нагревательным столом 3д 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. Для того чтобы получить быстрый качественный результат для моделей с такой геометрией, приходится основательно подходить к настройкам слайсинга.

3D-принтеры данной кинематике, вы можете посмотреть в нашем  каталоге

Консольный принтер

Тоже Пруша, 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.

Плюсы:

• компактность
• интересный внешний вид

Минусы:

• эту кинематику проблематично использовать для сборки принтера с длиной оси, по которой перемещается печатная голова, более двухсот миллиметров
• Принтеру необходимы качественные направляющие и прочная рама

H-BOT

H-Bot - более сложная схема, которой обладают, как правило, принтеры подороже. Стол движется исключительно вверх-вниз, по оси Z. Каретка с экструдером перемещается над столом по осям X и Y при помощи одного ремня и двух согласованно работающих двигателей.

Core-XY

CoreXY во многом повторяет H-Bot, но отличается наличием двух зубчатых ремней. Чаще всего профессиональные 3D принтеры компонуются по этим кинематическим схемам.

Из разной схемы установки ремней вытекают основные различия между H-Bot и Core-XY. В H Bot усилия, перемещающие балку оси Х по оси У могут перекосить её, после чего конструкция будет нуждаться в восстановлении. В связи с этим, крепления балки оси Х и сам её профиль должны быть качественными, и хорошо продуманными, что в конечном итоге сказывается на затратах при производстве принтера. У Core-XY эта проблема отсутствует. Ещё одно уязвимое место этих кинематик – зубчатые ремни. Из-за своей большой длины, классические ремни GT2-6 могут заметно растянуться за небольшой промежуток рабочего времени, что несомненно скажется на качестве печати и работоспособности принтера. Этот момент больше относится к кинематике H Bot, так как там используется один очень длинный зубчатый ремень, протянутый через всю конструкцию. Однако при масштабировании габаритов всего механизма для увеличения объёма рабочей камеры, в какой-то момент эта проблема может появиться и на Core-XY. Там тоже используются  довольно длинные зубчатые ремни, хоть и сильно короче, в сравнении с H Bot. В итоге, при масштабировании таких кинематик стоит уделить особое внимание подбору подходящего зубчатого ремня, для того, чтобы при работе он не провисал и смог прослужить достаточно долгое время.

Плюсы:

• высокая жесткость конструкции
• возможность обеспечить высокоточную качественную печать при приемлемой скорости,
• равномерное качество печати в любом месте рабочего пространства,
• отсутствие инертности, вызываемой движением стола,
• легче упаковать в защитный кожух и термокамеру.

Минусы:

• размер принтера раза в два-три больше печатаемого объема,
• высокая стоимость,
• сложный ремонт,
• склонность к перекосам каретки (для H-Bot)

Кинематика "Makerbot"

На первый взгляд эта кинематика похожа на Core XY и H Bot, печатающая голова перемещается по осям Х и У, а стол 3д принтера перемещается по вертикальной оси Z. Её отличие в том, что для осей X и У 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 У отвечает другой шаговый двигатель и своя система ремней.

Плюсы:

• зубчатые ремни, использующиеся в конструкции, не имеют большую длину и не склонны к растяжению
• Хорошее качество результатов 3д печати при довольно высокой скорости
• такую кинематику легко собрать в закрытый корпус, чтобы печатать филаментами, чувствительными к перепадам температур
• Хорошая масштабируемость благодаря сравнительно коротким зубчатым ремням

Минусы:

• шаговый двигатель оси Х путешествует вместе с печатающей головой по оси У, из-за чего каретка приобретает дополнительный вес
• шаговый двигатель располагается с краю от направляющих оси Х, из-за чего конструкция этой оси получает смещение центра масс в одну из сторон, что может сказаться на качестве печати. 

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.

Плюсы:

• короткие зубчатые ремни
• легко установить закрытый корпус
• шаговые двигатели расположены на корпусе
• малый вес печатной головы, высокая скорость перемещения
• хорошее качество печати

Минусы:

• Очень высокие требования к качеству направляющих валов и подшипников
• Плохая масштабируемость, связанная с первым минусом

А теперь давайте рассмотрим одну сложную, но интересную картезианскую кинематику, в которой печатная голова может перемещаться сразу в трёх осях.

Core-XYZ

Кинематика, напоминающая Core-XY, но ещё более сложная, по сравнению с ней. Здесь экструдер может перемещаться во всех трёх осях, а стол неподвижно закреплён в нижней части конструкции. В домашних DIY вариантах таких принтеров перемещения по всем осям контролируются зубчатыми ремнями, Каждый зубчатый ремень протягивается через все три оси. Принтер с такой кинематикой непросто собрать, зато, за процессом печати в нём очень интересно наблюдать. Печатаемая модель остаётся абсолютно неподвижной на протяжении всего процесса печати, как в Дельта-принтерах, которые мы обсудим немного позже, при этом Core-XYZ позволяет избежать минусов дельта-кинематики.

Плюсы:

• Жёсткая конструкция
• Высокая точность
• Модель при печати остаётся абсолютно неподвижна
• Лёгкая установка закрытой камеры
• завораживающий внешний вид процесса печати

Минусы:

• Очень сложный процесс сборки, большое количество составляющих частей
• Повышенные требования к электронике и качеству деталей механической составляющей принтера
• Сложная масштабируемость из-за длинных зубчатых ремней

Популярные модификации

Для многих перечисленных выше кинематик существуют интересные модификации, которые повышают функционал 3д принтера. Одна из них называется IDEX

IDEX

Приставку IDEX используют для принтеров, имеющих два экструдера, которые передвигаются по оси X независимо друг от друга. Эти перемещения возможны благодаря двум независимым шаговым двигателям, каждый из которых соединён с одной из печатных голов своим зубчатым ремнём. Такая модификация позволяет поочередно печатать двумя пластиками одну деталь или две одинаковые (или симметричные) детали одновременно.

Конвейерный тип

Конвейерный принтер. Еще одна интересная модификация 3д принтера. По сути, она имеет две разновидности.

Первая разновидность

является, скорее, отдельной полноценной кинематикой, сначала разберём её.

Отличия два: первое конструкционное - стол выполнен в виде закольцованной ленты, наподобие тех, что используются в беговых дорожках, и одно это позволяет расширить рабочую область по оси Y на очень большое расстояние, теоретически хоть до бесконечности. Второе отличие принципиальное - ось Z должна быть расположена не традиционно вертикально, а под углом к оси движения стола. Такая компоновка позволяет печатать изделия любой длины за один проход, не “дрыгая” столом. Технология довольно интересная и имеет особые преимущества, а именно – печать объектов, превосходящих по длине размер принтера, а также возможность удобной автоматизации серийной 3д печати.

Вторая разновидность – это просто установка конвейерного стола вместо классического. Эта вариация проще, и не позволяет печатать «бесконечные» по длине объекты, зато её можно установить практически на любую кинематику принтера, и запускать на печать поочерёдно нужное количество объектов. А снятием детали со стола займётся конвейер.

Дельта-кинематика 

Дельта принципиально отличается от предыдущих, которые выполнены по классической декартовой механической схеме: три измерения - три оси. У дельты все три оси одновременно отвечают за положение печатающей головки в пространстве, что вычисляется по хитрой формуле. Отличается даже стол, он у дельты абсолютно неподвижен и практически всегда имеет круглую форму. При такой компоновке все тяжелые компоненты остаются на корпусе принтера, и печатная голова должна быть лёгкой и малоинертной. Благодаря длинным рычагам даже небольшое движение на одной из осей принтера вызывает кратное смещение экструдера. Все это позволяет развивать дельте самые большие скорости печати из всех FDM принтеров. И еще Дельта, пожалуй, самый компактный принтер в горизонтальной проекции, на столе занимает минимум места, чуть больше печатной области, весь основной объем, включая катушку с пластиком, уходит вверх, что очень удобно для небольших помещений и позволяет без труда устанавливать его в шкафах и подобных “термокамерах”. Впрочем, приобрести или сделать компактную камеру прямо на корпусе принтера тоже не сложно. Ограничивает печатаемый предмет в размерах X-Y, но очень хорош для создания высоких объектов.

Плюсы:

• самая высокая скорость печати,
• неплохое качество, которое, правда, сильно зависит от жесткости корпуса,
• шикарно выглядит, невероятно красив в процессе печати.

Минусы:

• на бюджетных моделях качество и разрешение печати падает от центра стола к краям,
• сложно отрегулировать нулевой уровень стола, для этого принтер делает многочисленные измерения по всей поверхности и хранит их в памяти, но малейший люфт или смещение в геометрии обесценивает эти данные и заставляет проводить измерения сначала,
• сложная конструкция, которая очень требовательна к качеству комплектующих, из которых собирается механическая составляющая,
• сложен в ремонте.

Полярная кинематика

Полярный 3D принтер. Как следует из названия, главное отличие в замене декартовых координат на полярные в горизонтальной плоскости. Варианта два: берем Прушу и заставляем стол двигаться не туда-сюда по оси Y, а вращаться вокруг собственной оси. Технология интересная, но достаточно специфичная. Да, таким образом можно напечатать любой трехмерный объект, но заметное падение точности от центра к краям стола не даст насладиться безупречным качеством изделия. Использовать такую кинематическую схему имеет смысл для создания тел вращения, например ваз, кружек, уплотнителей и прочих около-цилиндрических и сферических поверхностей.

Второй вариант:

принтер стоит в центре окружности и печатает объект вокруг себя вращаясь и поднимаясь с каждым слоем. В реальности так устроен строительный принтер, печатающий дома бетоном вместо пластика. Благодаря полярной схеме печати, устройство максимально компактно и мобильно. Вообще, идея строительных 3D принтеров очень интересна и перспективна, но это тема отдельной статьи.

Роботизированные манипуляторы

Принтер-манипулятор. Промышленные манипуляторы весьма многофункциональны и точны. И естественно, инженеры уже не раз фиксировали в их руке экструдер и учили выводить им правильные кривые. Печать с манипулятора может вестись как традиционно послойно, так и подобно 3D-ручке - вытягивать линии прямо в воздухе между заданными точками, что, конечно, уже не является классической печатью FDM. Пока что такой способ производства моделей находится в стадии разработки и служит больше для забавы и демонстрации возможностей манипуляторов, и они действительно достойны восхищения.

SCARA

SCARA (

S

elective 

C

ompliance 

A

rticulated 

R

obot

 A

rm) – это кинематика, которая основана на перемещение экструдера в горизонтальной плоскости (X и Y) за счет сочленения рычажного механизма. Перемещение экструдера вверх-вниз (вдоль оси Z) вместе с этим механизмом по вертикальной направляющей.

Такие приборы обладают высокой точностью и повторяемостью, при работе издают минимум шума и вибраций. SCARA по детализации печати превзошли и картезианские модели: разница еще и в том, что первые работают ощутимо быстрее. Такая кинематика обычно используется в роботах, которые применяются в автоматизированном или полуавтоматизированном производстве, и, соответственно, к ним применяются особо высокие требования по надёжности и долговечности. Такие роботы должны выдерживать многочасовые рабочие смены, и стоят они, соответственно, недёшево.

Плюсы:

• точность печати;
• высокая скорость печати;
• небольшие габариты и масса.

Минусы:

• ограничения по жесткости в зоне осей X и Y;
• высокая стоимость;
• не самая широкая сфера использования.

Пяти осевые принтеры

Пяти осевые, или 5д принтеры — это отдельный класс профессионального оборудования. Благодаря дополнительным осям, в которых можно перемещать модель в процессе печати, появляется ряд преимуществ, которые могут быть полезны как для изготовления инженерной продукции, так и для создания интересных дизайнерских и художественных решений. В большинстве случаев, кинематика пятиосевых принтеров делится на два блока: первый блок перемещает печатающую голову, которая имеет две оси свободы, как во многих картезианских кинематиках, А второй блок перемещается печатный стол принтера, у которого, помимо перемещения по оси Z, появляется одна ось вращения вокруг своей оси, расположенная перпендикулярно поверхности стола, и вторая ось вращения, расположенная параллельно поверхности стола, которая позволяет наклонять стол на нужное количество градусов.

Слои и положения нитей пластика в модели теперь могут быть расположены не параллельно, а многими другими способами. Это позволяет получать напечатанные модели с 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 3д принтерами.

 Выводы

Споры о том, какого типа принтер лучше, а какой хуже, длятся с момента появления этих типов в природе. На самом деле, ответить однозначно на этот вопрос невозможно, у каждого есть свои сильные и слабые стороны. Многое зависит от предполагаемой области применения, допусков размеров и прочих параметров. Если важна скорость, выбор за дельтой, если точность и качество, за CoreXY, если нужно сбалансированное и недорогое решение, то не разочаруетесь в Пруше. Бытовые и профессиональные принтеры выпускаются всех типов, все они имеют право на существование и достойны своих задач, благо выбор сейчас широк и каждый найдет то, что ищет. Споры о том, какого типа принтер лучше, а какой хуже, длятся с момента появления этих типов в природе. На самом деле, ответить однозначно на этот вопрос невозможно, у каждого есть свои сильные и слабые стороны. Многое зависит от предполагаемой области применения, допусков размеров и прочих параметров. Если важна скорость, выбор за дельтой, если точность и качество, за CoreXY, если нужно сбалансированное и недорогое решение, то не разочаруетесь в Пруше. Бытовые и профессиональные принтеры выпускаются всех типов, все они имеют право на существование и достойны своих задач, благо выбор сейчас широк и каждый найдет то, что ищет.

FAQ

Есть ли предпочтения к типам принтеров в зависимости от вида пластика?

Любой принтер может справиться с любым пластиком в пределах своих технических возможностей, особенно это касается температуры сопла и стола. Единственный совет: для пластиков типа FLEX лучше использовать подачу директ, а дельты такие бывают очень редко.

Надо ли учитывать тип подачи прутка в параметрах печати?

Да, небольшие коррективы вносить полезно. В частности, это касается ретракта, для Боудена следует делать его величину больше и скорость выше, на сколько именно - зависит от материала и остальных параметров. Начать можно с удвоения и далее двигаться экспериментальным путем в ту или иную сторону.

Можно ли утверждать, что принтеры с декартовыми схемами в любом случае обладают более жесткой конструкцией, чем дельты?

Нет, нельзя. Все зависит от производителя и конкретной модели, хорошо и плохо можно сделать любой принтер, вне зависимости от выбранной схемы.

Какой принтер лучше выбрать новичку и профессионалу?

Профессионал сам выберет себе принтер, исходя из собственного опыта, предпочтений и специализации, тут советовать бесполезно. Новичку же следует исходить из финансовых возможностей и ориентироваться на популярные модели в этих рамках. Про массовые принтеры именитых производителей накоплено много информации, имеются десятки советов по устранению известных недостатков, апгрейду и ремонту (при этом запчасти найти и приобрести не проблема), что очень важно.