Производственные инновации для профессионалов

Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера

При производстве различных функциональных изделий вроде деталей машин и элементов конструкций особо важное значение имеют вопросы обеспечения качества. Так, из-за послойного формирования печатного изделия на его поверхности образуются полосы.
Лучше всего ступенчатый вид заметен на искривленных и изогнутых поверхностях. Он становится более выраженным по мере увеличения толщины слоя. Ступенчатость может никак не влиять на прочность печатаемого изделия, она чаще всего лишь увеличивает его шероховатость. Впрочем, если от изделия требуется не низкий уровень шероховатости сам по себе, а только внешний вид (например, если речь идет о корпусах приборов), можно прибегнуть к простой отделке наружных поверхностей. Значительные размерные погрешности и искажение формы изделий, которые могут быть допущены при печати, представляют гораздо большую проблему. В наиболее распространенных 3D-принтерах, работающих по технологии послойного наплавления (FFF, Fused Filament Fabrication), определяющее значение при этом имеют два основных фактора: температурная усадка материала и погрешность позиционирования.
Усадка печатного объекта обусловлена физикой процесса: расплавленный материал выдавливается на платформу слой за слоем и застывает в виде конечного изделия, а в процессе охлаждения от температуры плавления до комнатной как бы съеживается. Разные материалы могут усаживаться сильнее или слабее, но этот процесс всегда имеет неуправляемый характер. В ряде случаев можно предполагать, что усадка происходит равномерно во всех направлениях на определенный процент. На основе этого предположения в управляющую программу (G‑код) могут быть внесены поправки, которые способны отчасти компенсировать погрешность усадки.
Не менее важную роль в обеспечении точности играет точность позиционирования рабочего органа оборудования, т. е. печатающей головки принтера.
К настоящему времени предложено множество вариантов построения системы перемещения печатающих головок 3D-принтеров, однако наибольшее распространение получили системы, основанные на ременных передачах. Это связано с тем, что нагрузка, действующая на печатающую головку в процессе работы, сравнительно невелика (в отличие от металлорежущих станков, в принтерах нет такого мощного возмущающего фактора, как силы резания), так что такие кинематические схемы обеспечивают достаточную жесткость. При этом они отличаются простотой, экономичностью и высокой скоростью перемещения, положительно влияющей на производительность. Однако на данный момент остаются малоизученными факторы, влияющие на точность позиционирования печатающей головки в таких системах. Отсутствуют практические рекомендации по выбору конфигурации кинематической схемы и зависимости погрешностей позиционирования от рабочих параметров (массы печатающей головки, размеров области построения, предварительного натяжения ремней, зазоров в подвижных соединениях и пр.) 3D-принтера.
Среди известных вариаций кинематических систем, основанных на ременных передачах, одной из наиболее распространенных является одноконтурная схема H‑Bot. В ней единственный ремень расположен в виде буквы «H» и приводится в действие двумя двигателями (рис. 1). Малое количество подвижных элементов в этой схеме снижает инерционность, что положительно влияет на точность позиционирования. Также она повышается и благодаря тому, что при повороте двигателей на 1 шаг печатающая головка проходит линейное расстояние, равное половине шага. Однако в этой системе однонаправленное вращение двигателей, необходимое для перемещения печатающей головки вдоль оси X, приводит к появлению разнонаправленных сил, вызывающих перекос поперечной направляющей относительно продольных. Неперпендикулярность направляющих приводит к появлению грубой погрешности формы конечного изделия — например, объект с прямоугольным сечением примет вид параллелограмма. Кроме того, от многократного цикла перекоса выпрямления страдают крепления поперечной направляющей к продольным, снижается ресурс системы.
Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера
Рис. 1. Кинематическая система перемещения H‑Bot
Геометрическую перпендикулярность направляющих обеспечивает двухконтурная кинематическая схема, такая как схема CoreXY (рис. 2). В ней использование двух приводных ремней уравновешивает воздействие на подвижные элементы, благодаря чему сохраняется их правильное геометрическое расположение. В системе используется больше обводных роликов, чем в системе H‑Bot (на 2 больше). Однако в этой схеме возникает необходимость обеспечения равного предварительного натяжения обоих контуров. В случае, если один ремень натянут сильнее другого, при однонаправленном вращении двигателей так же, как и в схеме H‑Bot, возникает пара сил, приложенных к поперечной направляющей. Появляющийся в результате момент сил поворачивает подвижный узел в плоскости XY, это вызывает нарушение перпендикулярности направляющих и также приводит к погрешности позиционирования и накапливающейся деформации элементов системы перемещения. Для исключения случаев пересечения ремней их контуры расположены в разных плоскостях — это приводит к дополнительным изгибающим моментам на каретке печатающей головки.
Рис. 2. Кинематическая система перемещения CoreXY
Рис. 2. Кинематическая система перемещения CoreXY
В сравнении с H‑Bot двухконтурная система перемещения отличается меньшими значениями динамической погрешности, вызванной растяжением ремней при ускорении и торможении печатающей головки: наличие двух параллельных ременных ветвей вдвое увеличивает жесткость этой колебательной системы.
Еще одним вариантом кинематической схемы с неподвижным расположением двигателей является кинематика Markforged (рис. 3). Это устройство перемещения имеет два ременных контура. Ремень первого контура закреплен с двух сторон каретки с помощью единого обводного ролика и выполняет функцию перемещения головки вдоль оси X. 
Рис. 3. Кинематическая система перемещения Markforged
Рис. 3. Кинематическая система перемещения Markforged
Этот же контур приводится в движение и при перемещении вдоль оси Y, но в этом случае также приводится и ремень второго контура, закрепленный на подвижном узле. Несмотря на простоту, схема сочетает в себе недостатки обоих предыдущих схем — требует обеспечения равного натяжения ремней и при этом независимо от натяжения склонна к повороту подвижного узла при однонаправленном вращении двигателей. Эта схема не получила широкого использования среди производителей аддитивных установок.
Еще одной кинематической системой, в которой каждый двигатель отвечает за перемещение вдоль своей оси, является система Ultimaker. В ней печатающая головка приводится в движение поперечной направляющей, которая закреплена в поперечных блоках и скользит по центральной продольной направляющей, закрепленной в продольных блоках. Данная кинематическая схема имеет высокую жесткость конструкции и малую инерционность печатающей головки. Также система включает в себя кольцевые ремни замкнутого типа, что в теории должно обеспечивать равное натяжение ремней. Эти характеристики положительно влияют на точность позиционирования. Тем не менее схема чувствительна к начальной взаимной установке направляющих, погрешность их взаимного расположения отражается на форме печатных изделий подобно перекосу подвижного узла в предыдущих системах. К недостаткам схемы Ultimaker можно отнести сложную реализацию и высокие требования к качеству компонентов линейных перемещений.
Рис. 4. Кинематическая система перемещения Ultimaker
Рис. 4. Кинематическая система перемещения Ultimaker
Существуют и другие системы перемещения с ременными передачами, которые получили меньшее распространение из-за значительно большей сложности или большего количества недостатков.
Компания «Стереотек» при производстве собственных 3D- и 5D-принтеров (Stereotech 320 и Stereotech 520 (рис. 5, 6) использует собственную запатентованную систему перемещения печатающей головки STE HeadMotion (рис. 6, 7).
Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера
Рис. 5. 3D-принтеры компании «Стереотек»: Stereotech 520, Stereotech 320
Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера
Рис. 6. Общий вид 3D-принтера Stereotech 320 в корпусе без верхней крышки с кинематической системой STE HeadMotion
Система перемещения печатающей головки включает одну поперечную и две продольные рельсовые направляющие. Продольные направляющие жестко закреплены на основании в направлении оси Y, поперечная направляющая расположена по оси X и соединяется с продольными через каретки. Перемещение печатающей головки происходит с помощью двух приводных ремней, как и в схеме CoreXY, для повышения жесткости приводной системы и снижения инерционной погрешности. Концы ремней закреплены с образованием двух связанных контуров на каретке печатающей головки. Симметричное расположение контуров компенсирует изгибающие моменты на подшипниках и направляющих подвижных узлов системы.
Для решения проблемы обеспечения равного натяжения ремней в контурах в устройство включен узел выравнивания сил натяжения. Он представляет собой рычаг с двумя роликами на концах (каждый из которых является частью отдельного контура), шарнирно закрепленный на основании с возможностью поворота в плоскости XY, и работает по принципу качелей. При появлении разности сил натяжения в контурах рычаг поворачивается, ролики смещаются и оба контура возвращаются в состояние равновесия. Для гашения вибраций на концах рычага установлены демпферы (рис. 7, 8).
Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера
Рис. 7. Кинематическая система перемещения STE HeadMotion с узлом выравнивания сил натяжения
Кинематические системы перемещения печатающей головки 3D-принтера
Рис. 8. Расчетная схема узла выравнивания сил натяжения
Два связанных контура ремней позволяют сохранить перпендикулярность поперечной и продольных направляющих — и таким образом сохранить правильность траекторий движения рабочего органа принтера. Подвижный узел с поперечной направляющей при этом выполнен в виде единого портала для повышения жесткости устройства, что также положительно отражается на точности позиционирования.
Двигатели закреплены на основании принтера для уменьшения массы подвижных частей и снижения инерционного момента. Их однонаправленное или разнонаправленное движение вызывает перемещение печатающей головки по оси X или Y соответственно; вращение каждого двигателя по отдельности перемещает головку по диагонали.
Каркасное основание устройства перемещения может быть выполнено из соединенных профилей, пластин и иных элементов, которые расположены параллельно и соединены поперечно между собой.
Таким образом, важными преимуществами кинематической системы STE HeadMotion являются, во‑первых, выравнивание сил натяжения ремней на протяжении всего срока эксплуатации 3D-принтера для обеспечения плавности работы и постоянства рабочих характеристик, во‑вторых, увеличение точности перемещения печатающей головки, в‑третьих, увеличение ресурса работы 3D-принтера. Устройство является универсальным для двух моделей принтеров: Stereotech 320 и Stereotech 520, в котором используется инновационная технология 5D Additive Manufacturing. ■
Автор: И.С. Торубаров, А.А. Битюшкова, ООО «Стереотек», info@ste3d.ru
Поделиться

Заметили ошибку? Сообщите нам: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy andTerms of Service apply.