Кинематика 3D-принтеров – какое устройство выбрать?

Качество печати 3D-принтера и принцип его работы зависят от нескольких факторов. Один из важных показателей – кинематика. В этой статье рассмотрены ее основные виды и их особенности.

Что такое кинематика 3D-принтеров?

Каждый 3D-принтер имеет свою кинематическую схему работы. Модели оснащены платформой и экструдером. Эти детали двигаются в определенном направлении относительно друг друга. Кинематика в таком устройстве означает схему, по которой передвигаются экструдер и платформа.

Виды и типы

Видов кинематики 3D-принтеров насчитывают пять. От их особенностей зависит принцип функционирования устройства и способ обработки заготовки.

Картезианские 3D-принтеры

Самые распространенные – 3D-принтеры с картезианской кинематикой. Они основаны на декартовой системе координат, работают осях X, Y и Z. По ним задаются координаты, по которым печатающая головка меняет положение относительно платформы. У печатающей головки есть ограничения относительно движения по трем осям.

Экструдер направляется в высоту, когда платформа двигается по горизонтальным осям X или Y.
Платформа движется вверх по оси Z, экструдер в этот момент может передвигаться по горизонтальным направлениям.
Платформа перемещается по одной из осей в высоту, экструдер поднимается по другой оси.
Платформа статична и не двигается, экструдер передвигается по всем трем осям.
Экcтрудер проходит по координатам в высоту, а платформа осуществляет движение по осям X и Y.

Самыми распространенными вариантами во время функционирования являются первый и второй.

Картезианская кинематика отличается рядом преимуществ.

Это простая схема движения, она подходит для любительской печати. На ее основе работают многие бюджетные модели.
Принтер может выпускаться в любых габаритных параметрах, при необходимости он модернизируется.
Расходные материалы представлены в свободном доступе. Пользователям предлагают большое количество материалов и расцветок.
Принтеры могут поставляться в разобранном виде. Такая особенность позволяет новичкам в мире 3D-печати разобраться в принципе работы механизма.
Устройства, работающие на основе картезианской системы, подходят для массового выпуска деталей. Они предназначены для создания заготовок разных размеров.

Из недостатков принтеров, построенных по принципу трех систем координат, выделяют два фактора:

модели громоздкие, после сборки они занимают много места на рабочем столе;
невысокая скорость печати.

Принтеры на основе картезианской кинематики подходят для любительской печати. Они помогают новичкам разобраться в процессе работы и научиться создавать модели.

Пример печати на устройстве с картезианской кинематикой.

фигурка

Разновидности картезианской кинематики CoreXY и H-Bot

В CoreXY есть два подающих ремня, а в H-Bot установлен только один, но длинный – это основное отличие двух разновидностей. Общая черта в этих устройствах на основе картезианской кинематики заключается в том, что платформа движется только по оси Z. Горизонтальные оси X и Y перемещаются при помощи пары двигателей, закрепленных на раме.

За движение по горизонтальным осям отвечают два двигателя, по вертикальным – один. Такая кинематика распространена не только в любительских принтерах, но и профессиональных.

3D-принтеры, работающие на основе CoreXY и H-Bot, обходятся дороже, чем обычные модели на картезианской кинематике. Для производства их корпусов используют металлический сплав или композитные материалы. Рельсовые направляющие раскрывают потенциал качественной печати. Такая кинематика позволяет достигать хорошей детализации при быстрой печати.

з преимуществ CoreXY и H-Bot выделяют:

высокую скорость печати;
качественную детализацию моделей;
профессиональный класс использования.

Но не обошлось без недостатков:

H-Bot не реализуют на стальных валах;
нужно постоянно следить за натяжением ремня, чтобы не возник люфт;
высокая стоимость приборов;
ремни могут быстро изнашиваться, если в процессе работы будут тереться о соседние предметы, этот фактор нужно учитывать во время эксплуатации;
шкивы, по которым двигаются ремни, должны быть расположены строго перпендикулярно друг другу.

Принтеры, работающие на картезианской кинематике, получили широкое распространение в разных производственных сферах. Они отличаются высокой детализацией печати, прочным металлическим корпусом, качественными комплектующими.

Справка! Картезианская кинематика позволяет создавать детализованные объекты с высокой скоростью.

Дельта-принтеры

Принтеры, работающие на кинематике типа «Дельта», отличаются от своих конкурентов по ряду особенностей. Стол остается неподвижным, а для перемещения печатающей головки используются сразу три установленных оси. В таких устройствах нет деления на ось X, Y и Z. Чтобы переместить каретку вбок, нужно опустить одну ось, а оставшиеся приподнять.

Справка! В сфере производства 3D-принтеров кинематика «Дельта» пока не нашла широкого распространения. Это перспективное направление, которое пока развивают разработчики.

Уже существующие дельта-принтеры отличаются следующими преимуществами.

Небольшие габариты. Устройства не занимают много места на рабочем столе, они высокие, но не широкие.
Высокая скорость печати. Модели могут обрабатывать 300–400 мм/с.
Новый подход к изготовлению заготовок. Оборудование печатает не по такой технологии, как картезианское. За процессом обработки модели интересно наблюдать.

У дельт есть и несколько минусов.

Сложность калибровки. На печатной поверхности образуется линза, из-за которой невозможно полноценно откалибровать процесс печати. Этот основной фактор, замедляющий массовое внедрение кинематики.
Невысокая точность. Высокая скорость печати заставляет жертвовать точностью. Все оси выполняют мелкие передвижения, возникают погрешности.
Требования к вычислительной мощности. Дельты оснащены 32-битными платами, из-за чего они не поддерживают взаимодействия с 8-битными системами.
Рама должна быть жесткой. Это нужно для избегания люфтов, отклонений и искривлений.
Не все экструдеры подойдут. У дельт есть ограничения по весу, поэтому использовать экструдеры типа Direct запрещено.

Точность печати остается высокой.

звездолет

На дельтах можно выстраивать качественные вертикальные модели даже с большими габаритами. На корпусе нет выступающих деталей, что позволяет самостоятельно увеличить его жесткость.

Полярные

Полярная кинематическая схема представлена только у одной фирмы – Polar. Суть такой технологии заключается в том, что в ней нет позиционирования по осям X, Y и Z. Положение экструдера задается показателем угла и радиуса. Платформа у полярных 3D-принтеров отличается круглой формой, она движется только по горизонтальной оси и только вращается по кругу. Экструдер перемещается вверх и вниз.

Из преимуществ 3D-принтеров на полярной кинематике выделяют:

возможность создавать крупные объекты;
высокую энергоэффективность;
экономию материалов;
небольшие габариты.

Но есть и недостатки:

низкая точность печати, над которой начали работы представители фирмы Polar;
платформа в процессе работы не прогревается;
ограничения относительно работы с материалами – нельзя обрабатывать пластик ABS.

Полярные принтеры уступают по точности печати картезианским и дельтовым. Такие модели производитель рекомендует использовать в образовательных целях, для профессиональной печати они пока не подходят.

Пример печати показывает, что точности добиться не удается. Все черты смазаны, фигурке не хватает резкости и четкости.

фигурка

C роботизированными манипуляторами

Принтеры с роботизированными манипуляторами – это конструкция с механически программируемым манипулятором-захватом экструдером. Это многофункциональный робот: он может проводить сварочные работы, покраску, фрезерование и т. д.

Экструдер может перемещаться в разных направлениях: послойно, по сложным траекториям в трех измерениях, под разными углами. Благодаря такому набору функций удается создавать сложные конструкции.

рука робота

Из основных преимуществ выделяют:

универсальность: прибор может осуществлять несколько видов задач при замене экструдера;
подходят для выполнения промышленных задач: можно печатать крупные объекты практически без ограничений по габаритам.

Но есть и недостатки:

невысокая точность: такое оборудование уступает картезианской кинематике;
крупные размеры: устройства занимают много места на рабочей поверхности.

Для профессиональной 3D-печати такие модели не подойдут. Их можно рассматривать как объект для хобби или инструмент для него. В промышленных целях такие приборы работают только в случае, когда высокая точность выполнения деталей неважна.

SCARA

SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) – это кинематика, которая основана на вращении платформы по горизонтали. Движение достигается за счет сочленения рычажного механизма.

Такие приборы обладают высокой точностью и повторяемостью, при работе издают минимум шума и вибраций. SCARA по детализации обработки превзошли и картезианские модели: разница еще и в том, что первые работают ощутимо быстрее.

Из преимуществ такой кинематики:

точность печати;
высокая скорость обработки заготовки;
небольшие габариты и масса.

Но есть и недостатки:

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

печать фигурки

Приборы на основе кинематики SCARA – это устройства, которые совмещают в себе функции принтера с трехмерной технологией и манипулятора. Действия устройства программируются через программное обеспечение или установленное мобильное приложение.

Выбор кинематики 3D-принтеров зависит от требований к технике и сфере использования.

Самыми распространенными вариантами остаются модели на картезианской кинематике. Они совмещают высокую точность, хорошую скорость работы, небольшие габариты. Их можно использовать для любительской трехмерной печати. Они работают в декартовой системе координат, платформа и экструдер движутся по осям X, Y, Z.
CoreXY и H-Bot – разновидности картезианской кинематики. Они отличаются повышенной детализацией заготовок, подходят для профессионального использования. Их недостаток – сложность в процессе эксплуатации. Пользователю необходимо постоянно следить, чтобы ремни не соприкасались с посторонними предметами и были хорошо натянутыми.
Дельта-принтеры – нераспространенные модели, чьим уязвимым местом является точность печати. В процессе работы с прибором возникают проблемы с калибровкой, а также с выбором экструдера.
Полярные принтеры выпускает только одна компания – Polar. Эти устройства не могут обеспечить высокую точность заготовки, поэтому их используют только в образовательных целях. Во время работы не прогревается платформа, что ограничивает выбор материлов.
3D-принтеры с роботизированными манипуляторами – универсальные устройства, которые используются не только для изготовления моделей. Такие приборы могут фрезеровать, сваривать, покрывать краской. Техника по точности уступает картезианским разновидностям.
SCARA – одна из современных кинематик, которую можно использовать не во всех сферах. Она отличается высокой точностью и хорошей скоростью печати, ее можно использовать в качестве профессионального прибора. Основной недостаток SCARA – высокая цена.