Кинематика 3D-принтера: преимущества и недостатки всех вариантов

Хотя есть один тип кинематики, при котором стол не двигается. Так что, как видите, возможны разные варианты – давайте в них разбираться.

Глоссарий

Для того чтобы дальше не путаться, давайте определим термины, использующиеся в этой статье.

Экструдер с соплом и стол (рабочая поверхность) двигаются по осям координат X, Y, Z.

Ось Х – движения вправо-влево (если смотреть спереди на лицевую сторону принтера).

Ось Y – движение вперед-назад.

Ось Z – движение вверх-вниз.

Head – это «голова», то есть часть механизма, в которой находится сопло и экструдер.

Bed – это «ложе», он же стол, он же рабочая поверхность.

Схема кинематики XZ Head Y Bed

Одна из наиболее распространенных схем кинематики. Экструдер перемещается вправо-влево и вверх-вниз, а стол двигается вперед-назад. Также такую схему часто называют Prusa, по имени разработчика одного из первых подобных принтеров.

Преимущества такой схемы:

1. Простота сборки конструкции – многие самодельные 3Д-принтеры собраны именно по этому принципу.

2. Удобный доступ ко всем узлам – в таких принтерах без ограничений можно добраться до любого элемента системы и что-то исправить.

3. Доступная цена – это логично, когда конструкция очень простая.

Недостатки такой схемы:

1. Малый вес и слабая жесткость конструкции приводят к вибрациям, снижающим качество печати. Но в современных моделях принтеров реализованы разны решения, снижающие данный эффект.

2. Сложность в калибровке – соответственно, чтобы с учетом первого минуса конструкции, получать качественные изделия, нужно все очень тщательно калибровать.

3. Деламинация – открытая конструкция таких принтеров приводит к излишней вентиляции, а «сквозняки» еще больше ухудшают эффект термоусадки некоторых видов материалов. Подробнее здесь.

Схема кинематики XY Head Z Bed

Вторая по популярности и распространенности схема. Экструдер перемещает вправо-влево, вперед-назад, а стол ездит вверх-вниз. Часто называют картезианской (Cartesian) кинематикой.

Преимущества такой схемы:

1. Устойчивый корпус, чаще всего квадратной или прямоугольной конструкции.

2. Хорошее качество печати при достаточно высокой скорости печати.

3. Отсутствие деламинации за счет закрытого корпуса и за счет того, что стол не двигается в стороны, только вверх-вниз.

4. Возможность делать очень большие принтеры и изделия – такая конструкция позволяет увеличивать размеры устройства без потери точности.

Недостатки такой схемы:

1. Сложность сборки и соответственно более высокая цена.

Схема кинематики XYZ Head

По такой схеме работают так называемые дельта-принтеры, которые считаются относительно новым явлением в 3Д-печати. Здесь по всем осям движется закрепленный на трех точках экструдер, а стол зафиксирован неподвижно. Также по этому принципу работаю 3D-принтеры в виде роботизированных манипуляторов. Но это очень дорогие решения для немногих.

Преимущества такой схемы:

1. Высокая скорость печати за счет возможности экструдера перемещаться во всех трех плоскостях.

2. Малые габариты в ширину и большая высота – дает возможность строить высокие узкие изделия.

3. Отсутствие выступающих деталей – можно делать закрытые корпуса.

4. Низкие энергозатраты.

Недостатки такой схемы:

1. Меньшая точность по краям изделия – каждая точка крепления имеет свой двигатель и погрешности в перемещении приводят к накоплению ошибок позиционирования.

2. Высокая цена и невозможность самостоятельной сборки – нужна очень высокая точность сборки.

3. Требуют более дорогого вспомогательного ПО и дорогой электроники.

Схема кинематики X Head YZ Bed

Очень мало распространенная схема. По сути используется всего в нескольких моделях принтеров нескольких производителей. Экструдер ходит только влево-вправо, а стол перемещается в двух плоскостях – вперед-назад и вверх-вниз.

Преимущества такой схемы:

1. Высокое качество печати

2. Минимум настроек

3. Удобство использования.

Недостатки такой схемы:

1. Высокая цена из-за сложной конструкции.

2. Отсутствие возможности закрыть корпус приводит к рискам температурных деформаций.

Полярная кинематика

Закончим обзор одной из последних разработок в сфере 3Д-принтеров, в которой инженеры решили вообще уйти от осей X, Y, Z. Не полностью, конечно, но все же.

В полярных принтерах экструдер движется только вверх-вниз, а вот рабочая поверхность в виде круга движется по оси Y (вперед-назад) и движется вокруг своей оси (то есть как пластинка на проигрывателе).

Преимущества такой схемы:

1. Возможность печатать крупные объекты – так как стол можно делать любых размеров.

2. Высокая энергоэффективность.

Недостатки такой схемы:

1. Низкая точность печати – так как производитель всего один, он пытается решить эту проблему.