Для начала определимся с терминами: Кинематическая схема (принципиальная) - это такая схема, на которой показана последовательность передачи движения от двигателя через передаточный механизм к рабочим органам машины (например, шпинделю станка, режущему инструменту, ведущим колёсам автомобиля и др.) и их взаимосвязь.
3D-принтер как устройство, имеющее сложную конструкцию, не может обойтись без схематического описания принципа своей работы. Сама же разработка подразумевает наличие чертежей и определенного принципа реализации конструкции изготавливаемого механизма.
В данной статье речь пойдет не о схеме как таковой, а о принципиальных отличиях некоторых схем, в вопросе реализации точности перемещения печатающего узла над поверхностью изготавливаемого объекта.
Как видно из приведенного рисунка, изготавливаемый объект должен перемещаться в трех плоскостях: вправо-влево (ось X), вперед-назад (ось Y) и вверх-вниз (ось Z).
Обратное справедливо и для печатающей головки экструдера, т.е. если объект будет оставаться на месте, а перемещаться начнет только головка, то это не воспрепятствует полноценному процессу построения детали.
Возможны различные варианты, например, когда головка имеет одну степень свободы (поднимается в плоскости Z), а рабочий стол с объектом движется в двух других или на оборот - стол опускается, тогда как экструдер перемещается над ним по осям X и Y.
Вот эти различия кинематической части, реализованные в некоторых распространенных моделях 3D принтеров, и будут приведены в этом обзоре.
Первая и самая многочисленная группа: экструдер перемещается по осям X и Z, а по оси Y перемещается платформа.
Из наиболее популярных принтеров входящих в это семейство можно назвать Prusa Mendel, PrintrBot, и прочие Rep-Rap-образные конструкции которые легко отличить по внешнему виду.
Отличительной их особенностью являются открытая платформа и два треугольных элемента расположенных по бокам.
Это упрощает процесс сборки, но порождает массу проблем, связанных с недостаточной жесткостью несущих элементов каркаса, что приводит к паразитным вибрациям от которых страдает точность печати.
В конструкцию PrintrBot"а его создателем Бруком Драммом, были внесены некоторые изменения призванные улучшить жесткость несущей рамы. Для этого он отказался от треугольного каркаса и утяжелил основание с одновременным размещением там электронных компонентов.
Это позволило упростить процесс сборки и удешевить конструкцию принтера.
На данный момент разработка данной категории принтеров продолжается и можно надеяться на появление новых моделей выполненных по данной схеме.
Ознакомиться с "Деревом развития" семейства Rep-Rap можно по этой ссылке.
Вторая группа принтеров. В этой группе рабочий стол с печатаемым объектом двигается только вверх или вниз по оси Z, а по осям X,Y двигается печатающая головка экструдера.
Самым ярким представителем этого семейства без сомнения является Makerbot.
Линия развития этих 3D-принтеров началась с Cupcake, затем появился Thing-o-matic, а уже на смену ему пришел всем известный Replicator и Replicator 2.
Сейчас это наверное если не самая массовая модель 3D принтера, то уж точно одна из них. Об этом можно судить и по количеству клонов изготовленных с использованием компоновки его основных узлов, выпущенных предприимчивыми китайцами.
На нашем сайте вы можете найти такие модели как: Come3D C120N - полный клон Makerbot Thing-o-matic, Wanhao Duplicator 4 Black DH - являющийся копией уже следующего поколения Makerbot Replicator и другие.
Еще одним "долгожителем" из этой группы является Ultimaker.
Эти принтеры были разработаны немецкой группой инженеров, и быстро завоевали популярность благодаря некоторым удачным конструкторским решениям.
Отличительной особенностью этих моделей является реализация перемещения печатного узла в плоскостях X и Z, при которых направляющие проходят сквозь сам экструдер, и не используется крепления к нему ременной передачи.
За счет этого, появилась возможность увеличения скорости перемещения по данным осям в два-три раза по сравнению с аналогами, без существенной потери качества.
Аналог Ultimaker"a производится китайской фирмой LXMaker и представлен в нашем магазине несколькими моделями. Например: LX Maker Acrilic R1, LX Maker Special Plastic или LX Maker Double Nozzles.
Третья группа. Схема, при которой печатающий узел перемещается по оси X, а рабочий стол - по осям Y и Z, не получила широкого распространения в силу сложной реализации конструкции и отладки устройства.
Поэтому данная группа принтеров совсем небольшая и единственным успешным ее представителем является принтер UP! разработанный компанией PP3DP.
Из многочисленных обзоров и отзывов покупателей данный принтер практически не требует дополнительной настройки перед печатью и при этом имеет высокое качество печатаемых объектов. Единственный его недостаток - это его цена, весьма немалая по сравнению с конкурентами, тем более если эти конкуренты располагаются в Китае.
Остальные модели 3D принтеров разработанных по такой кинематической схеме не получили широкого распостранения, так что можно сказать что модель UP! безусловно доминирующей в этом сегменте.
Четвертая и последняя группа в данном обзоре стоит особняком, по причине необычности конструкционного исполнения.
Это так называемые Дельта-принтеры. Принтеры, в которых рабочий стол неподвижен, а перемещается только печатающая головка экструдера, приводимая в движение тремя манипуляторами расположенными по окружности называются Delta-printers.
На этом поприще пока никто не добился заметных коммерческих успехов, и пока дело ограничивается лишь прототипами. Возможно, это связано с тем, что не смотря на кажущуюся простоту конструкции, данный тип принтеров весьма сложен в постройке и отладке, а также требует специфичного программного обеспечения для своей работы.
Сам по себе, принтер в котором рабочий стол неподвижен, не может по умолчанию называться Дельта-принтером, т.к. его экструдер может иметь привод от трех двигателей, расположенных перпендикулярно друг другу в каждой из плоскостей - X, Y и Z.
Но только в конструкции Дельта-принтера это перемещение реализуется по кинематической схеме дельта-робота, с помощью параллельно установленных по окружности приводов.
Одним из факторов снижающих интерес такой кинематической схеме, может быть и его весьма небольшая область печати, ограниченная тремя пересекающимися полу-окружностями.
В добавок ко всему, все Дельта-принтеры имеет довольно высокий каркас, из-за наличия длинных рычагов требующих большого свободного хода.
Тем не менее, несмотря на это, у данного класса аппаратов есть и свои неоспоримые преимущества. Это, прежде всего, скорость работы и точность позиционирования при несравнимо меньших энергетических затратах требующихся для перемещения печатающей головки.
Сюда же можно отнести и высокую область печати по вертикали.
Остается только надеяться на новые прорывы в области таких схем конструирования 3D-принтеров, ожидать их более широкого распространения, и появления на рынке коммерческих версий.
_______________________________________________________________________________________________________
В данной статье был дан краткий обзор существующих 3D принтеров, реализующих FDM-технологию, классифицированных по кинематической схеме. Обзор ни в коей мере не претендует, на полноту и представление всех известных моделей 3D-принтеров, использующих приведенные выше схемы.
Множество моделей 3D-принтеров могло остаться не включенными в данный обзор, что не является умышленным действием, и объясняется лишь неравномерностью представления информации о них в открытых источниках.