Кинематики FDM 3D-принтеров: виды, плюсы и минусы
Чем отличаются Prusa, CoreXY, H-Bot, Ultimaker, дельта и другие схемы перемещения FDM-принтеров и для каких задач подходит каждая.
Коротко о технологии
FDM, или FFF, — послойное нанесение расплавленного термопластика. Методу более тридцати лет, и он остаётся самым массовым благодаря простому и недорогому оборудованию, большому выбору материалов и точности порядка десятой доли миллиметра.
У любого FDM-принтера два главных узла: стол и экструдер. Кинематическая схема описывает, как эти узлы делят между собой движение по осям X, Y и Z. Большинство схем картезианские, то есть построены на декартовых координатах.
Стол движется по горизонтали: Prusa и консольный принтер
В схеме Prusa стол перемещается по одной горизонтальной оси, как правило Y, а экструдер — по двум остальным. На каждую ось приходится свой двигатель, по Z иногда ставят два. Это самая распространённая бытовая компоновка: конструкцию реально собрать самостоятельно, комплектующие недороги, за печатью удобно наблюдать, а узлы легко обслуживать.
Недостатков два. Камера открыта, что мешает работе с пластиками, чувствительными к перепадам температур; акриловый колпак решает проблему, но увеличивает габариты. Кроме того, модель движется вместе со столом, поэтому высокие тонкие детали на больших скоростях получаются хуже и требуют тщательной настройки слайсера.
Консольный принтер — та же схема с одной вертикальной стойкой. Он компактнее и выглядит необычно, но из-за меньшей жёсткости проигрывает в точности и скорости. Ось, по которой движется голова, трудно сделать длиннее 200 мм, а раме и направляющим нужно высокое качество.
Стол движется по Z: H-Bot, CoreXY, Makerbot, Ultimaker
В H-Bot каретка перемещается по X и Y одним ремнём и двумя согласованно работающими моторами, стол ходит только вверх-вниз. CoreXY устроена похоже, но ремней два. Из этого и следуют различия: в H-Bot усилия способны перекосить балку оси X, поэтому её профиль и крепления должны быть качественными, а единственный очень длинный ремень GT2-6 быстрее вытягивается. У CoreXY перекоса нет, однако при увеличении рабочей области растяжение ремней может проявиться и здесь.
- Плюсы обеих схем: жёсткая конструкция, точная печать на приемлемой скорости, одинаковое качество по всей площади, отсутствие инерции от стола, удобство установки кожуха и термокамеры
- Минусы: принтер в два-три раза крупнее печатаемого объёма, высокая стоимость, сложный ремонт, для H-Bot — склонность каретки к перекосу
В кинематике Makerbot у осей X и Y отдельные ремни и двигатели, причём мотор оси X ездит вместе с балкой по Y. Ремни короткие и не растягиваются, схема хорошо масштабируется и легко закрывается корпусом. Платой за это становятся дополнительная подвижная масса и смещённый центр масс оси X, что может отразиться на качестве.
У Ultimaker через каретку проходят два перпендикулярных направляющих вала, двигатели закреплены на корпусе, а ремни короткие, часто замкнутые, и к голове не крепятся. Голова лёгкая и быстрая, качество печати хорошее. Но валы должны быть максимально ровными, а втулки скольжения — качественными, поэтому схема плохо масштабируется.
Неподвижный стол: CoreXYZ и дельта
В CoreXYZ экструдер перемещается по всем трём осям, а стол закреплён внизу. В самодельных вариантах каждый ремень проходит через все три оси. Конструкция жёсткая и точная, модель не двигается, камера ставится легко. При этом сборка очень сложна, деталей много, требования к электронике и механике повышены, а длинные ремни затрудняют масштабирование.
Дельта не относится к картезианским схемам: положение головы задают одновременно три оси, а стол неподвижен и почти всегда круглый. Тяжёлые узлы остаются на корпусе, голова лёгкая, длинные рычаги преобразуют малое движение в большое смещение, отсюда самые высокие скорости среди FDM-принтеров. Дельта занимает мало места на столе и хороша для высоких объектов, но ограничена по размерам в плоскости XY. На бюджетных моделях качество падает от центра к краям, уровень стола сложно отрегулировать, а любой люфт обесценивает сохранённые измерения. Конструкция требовательна к комплектующим и сложна в ремонте. Гибкие пластики лучше печатать с прямой подачей, а она у дельт встречается редко.
Модификации: IDEX и конвейер
IDEX — это два экструдера, независимо движущихся по оси X, каждый со своим мотором и ремнём. Такая компоновка позволяет печатать одну деталь двумя пластиками по очереди или две одинаковые либо зеркальные детали одновременно.
У конвейерного принтера стол выполнен в виде закольцованной ленты, а ось Z наклонена к направлению её движения. Это даёт возможность печатать изделия длиннее самого принтера и автоматизировать серийную печать. Более простой вариант — конвейерный стол на обычной кинематике: бесконечных деталей он не даёт, зато сам сбрасывает готовые изделия.
Редкие и специальные схемы
- Полярная: стол вращается вокруг своей оси вместо движения по Y. Точность снижается к краям, поэтому схема уместна для тел вращения — ваз, кружек, уплотнителей. Второй вариант — принтер в центре окружности, печатающий вокруг себя; так устроены строительные принтеры
- SCARA: рычажный механизм перемещает экструдер по XY и поднимается по вертикальной направляющей. Точность и скорость высокие, шум и вибрации малы, габариты небольшие; минусы — ограниченная жёсткость по X и Y, цена и узкая сфера применения
- Пятиосевые: к обычным перемещениям добавлены вращение и наклон стола. Слои можно укладывать не только параллельно, что кратно повышает прочность и позволяет обходиться без большинства поддержек
Как ориентироваться в выборе
Однозначно лучшей схемы нет, всё зависит от задач и допусков. Когда важнее скорость, выбирают дельту; когда точность и качество — CoreXY; сбалансированный и недорогой вариант — Prusa. С любым пластиком справится любой принтер, если ему хватает температуры сопла и стола.