пятница, 18 апреля 2014 г.

Кинематика принтера. Что лучше?

     Доброго времени суток!

     Сегодня я решил поделиться своими мыслями насчет выбора кинематики для принтера. Честно говоря, в интернете нет однозначного мнения о том, какая все-таки схема движения экструдера по осям является наиболее удачной. Попробуем разобраться.

     Итак.

     Самая распространенная в интернете система принадлежит классическому Prusa Mendel:


     В классификации самих репраповцев такая схема движения называется XZ Head Y Bed. Это означает, что экструдер движется по оси X (влево-вправо) и Z (вверх-вниз), а стол бегает по оси Y (вперед-назад). И все тут вроде бы хорошо и достаточно просто, но! Несмотря на видимую простоту конструкции, ее практически нереально настроить на идеальную геометрию. Здесь слишком много гаек, которые надо одновременно крутить, чтобы выставить перпендикулярность / диагональность. Даже, если получается настроить правильную печать в основании детали, то ближе к вершине все равно модель "уплывает" куда-то не туда. Калибровка такого принтера подобна шаманству. Кроме всего прочего, точность принтера напрямую зависит от жесткости резьбовых шпилек, из которых он состоит процентов на 70. Я применял обычные шпильки М8 из строительного магазина - а они гнутся практически без усилий. Так что ждать от такого принтера печати запредельного качества не стоит.

     Но! Если заменить все эти хлипкие шпильки на цельные элементы, то результат будет гораздо лучше.


     Такой вариант реализации называется Prusa Air. Есть еще Prusa i3 (наверное, по-аналогии с компом автора, в котором трудится Intel Core i3) и еще целая куча вариантов. В том числе и комбинированные, в которых используются и цельные элементы и все те же резьбовые шпильки. Например такой:


     Собрать (а самое главное - настроить) такой принтер гораздо проще. Да и качество печати будет уже на уровне промышленных образцов. Необязательно делать боковины и прочие элементы из акрила при помощи лазерной резки, либо фрезерования. Можно обойтись фанерой (или МДФ):


     Самое главное - добиться параллельности / перпендикулярности осей.



     Советую все-таки воспользоваться услугами лазерной / фрезерной резки - сейчас практически в любом городе есть фирмы (производства), которые предоставляют такие услуги. Денег это будет стоить немного, зато сэкономите кучу времени и нервов.
     Если есть желание максимально упростить (ускорить) сборку принтера с такой кинематикой, можно, например, остановиться на варианте под названием Printrbot LC:


     Здесь практически все детали выполнены из фанеры, а точность печати в итоге практически никак не зависит от кривизны рук и определяется только качеством исходного материала.

     Поехали дальше.

     Бывают модели, в которых стол катается не только по одной оси (в менделе по Y).


     У этой ранней модели под названием Makerbot Cupcake стол двигается по осям XY, а экструдер только по оси Z. Такая кинематика распространена среди моделистов в различных микрофрезерных станках, где гораздо легче двигать маленькую обрабатываемую заготовку, чем тяжелый инструмент.


     Но в нашем случае экструдер тонну не весит, поэтому не стоит заморачиваться на такой схеме движения.

     Особняком стоят Delta-роботы с совершенно внеземной кинематикой, где стол стоит неподвижно, а голова летает по всем трем осям:


     Родоначальником всех подобных принтеров является Rostock (он на фото). Штука просто великолепная, а процесс печати доставляет гораздо сильнее, чем от простых принтеров. В инете очень много роликов процесса печати - советую всем посмотреть (если кто еще не видел) - тут например. Самый главный плюс этого принтера в том, что печатная головка может летать по всем осям на сверхзвуковых скоростях. Конечно, это в том случае, если мощности движков хватит, в головка будет обладать небольшой инерционностью. А самый главный минус - что для движения по любой из осей необходимо в любом случае задействовать все три двигателя одновременно. Тут возможен вариант с накоплением суммарной ошибки в точности позиционирования, которая, кроме всего прочего, сильно зависит от наличия люфтов в шарнирах плечей.


     Чтобы избавиться от люфтов, можно использовать шаровые наконечники, например такие:


     Мой безлюфтовый вариант (пока только прототип):


     ...

     Едем дальше.

     Самая распространенная кинематика 99% современных принтеров - это XY Head Z Bed. Т.е., движение печатающей головки по осям XY, а стол - по Z. И самая известная реализация этого варианта - это конечно Makerbot Replicator (со всеми своими версиями, кроме последней 5-го поколения):


     Двигатель оси Y при помощи двух зубчатых ремней двигает каретку оси X с размещенным на ней двигателем, который, в свою очередь, двигает печатающую головку.


     Лично мне нравится такой вариант, за исключением того, что приходится постоянно "катать" двигатель оси Х, а это, в свою очередь, лишняя масса. В первой моей статье фото принтера именно с такой механикой:


     К недостаткам этого варианта я бы отнес необходимость использования трех отдельных зубчатых ремней, которые должны быть натянуты струной. Если они будут висеть, то качественной печати не получится.
     
     В принтере Ultimaker двигатели осей XY стоят неподвижно:


     При помощи целой кучи зубчатых ремней (4 больших и 2 маленьких) и валов они двигают печатающую головку с очень неплохой скоростью. Качество печати у такого принтера одно из самых лучших. Чуть подробнее кинематическая часть:


     В этой конструкции лично мне не нравится использование вращающихся валов, которые обязывают использовать бронзовые (или фторопластовые) втулки вместо подшипников качения. Да и валы должны быть идеально ровными, иначе весь механизм будет штормить при движении. Обилие зубчатых ремней я бы тоже не отнес к плюсам конструкции, поэтому ищем дальше.

     Медленно, но верно мы пришли к простой, но гениальной механике:


    Эта кинематика называется H-Bot. Вот ее схема:


     Еще один H-Bot:


     В интернете многие путают данную кинематику с CoreXY, которая выглядит немного иначе:

     А вот реализация CoreXY "в железе":


     И CoreXY и H-Bot работают совершенно одинаково. Когда мы вращаем оба двигателя в одну и ту же сторону, происходит движение экструдера по оси X, если вращать двигатели в противоположные стороны - движется каретка по оси Y. Если только один из двигателей будет вращаться - получим одновременное движение по двум осям (каретка поедем по диагонали). Здесь самый наглядный пример такого движения. Тут  еще один отличный пример.

     Анимация движения по осям:


     Сразу отмечу, что прошивка Marlin (про нее я уже писал) поддерживает такую кинематику - достаточно раскомментировать в конфигурации всего одну строчку.

// Uncomment the following line to enable CoreXY kinematics
// #define COREXY

     Очевидные плюсы этой кинематики - двигатели находятся статично, им не надо никуда ездить, соответственно, они могут быть любыми (т.е. мощными). Ремень здесь всего один - не надо заморачиваться с кучей натяжных механизмов.
     Но есть и минусы - данная конструкция должна быть абсолютно жесткой! Иначе вместо кругов будут получаться овалы. 

     Подобная механика применяется в принтере компании Stratasys под названием Mojo. Вот он:


     Инженеры компании Makerbot в пятом поколении своих репликаторов, похоже, тоже решили использовать H-bot:


     Для себя я выбрал именно такой вариант кинематики. Здесь, само собой, не обойтись без точных ЧПУ инструментов, зато результат будет на уровне дорогих профессиональных принтеров. 

     ...

5 комментариев:

  1. Спасибо, очень интересная статья. я тоже собираюсь сделать 3d-принтер, электронику уже купил теперь думаю над кинематикой. Хотел сделать на основе XY Head Z Bed, но вот теперь задумался над H-Bot... Но сначала нужно с электроникой разобраться)

    ОтветитьУдалить
  2. Очень интересно пишите, спасибо за статью.
    Возникли вопросы по конфигурации вашего 3d принтера.
    Расскажите о вашем творении: габариты рабочей зоны, вид пластика, моторы, мозги, головка, ПО(используемое вами,cad/cam, постпроцессор). Платформа с подогревом? или при такой скорости печати это не требуется?
    Жду продолжения статьи.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Прототипов было сделано несколько - все с разными характеристиками и кинематикой. Общие параметры всех моделей: размер стола (естественно с подогревом, т.к. печатаю преимущественно ABS) - 200х200 мм. Ход по оси Z всегда меньше 200 мм. Моторы FL42STH47 с крутящим моментом 4,4 кг*см. Мозги тоже разные, но в последнее время Teensylu. Печатающая головка - читайте в предыдущих статьях. В качестве ПО - Autodesk Inventor, Slic3r, Cura Engine.

      Удалить
  3. Статья действительно интересная, но меня интересует один вопрос, в статье не затронутый. Я, так понимаю, вы пробовали строить принтеры на разной кинематике. Меня интересует сравнение Ultimaker-like и h-bot. Вы их сравнивали? Очевидно, что h-bot конструктивно проще. Но не будет ли он более требовательным к точности компонент и жёсткости конструкции? И что на счёт простоты настройки и отлова возможных косяков?

    ОтветитьУдалить
  4. Для неподвижного стола, нужна особая прога или подойдут любые? Спасибо за ответ

    ОтветитьУдалить