Die linearen Führungsschienensysteme auf den Achsen der 3D-Drucker

4 verschiedene Arten von Führungssystemen.

die 3D-Drucktechnologie macht sprunghafte Fortschritte. In einem Moment diskutieren wir über die Herstellung von kleinen Spielzeugen zur Unterhaltung von Kindern, und im nächsten Moment sehen wir die Nachricht, dass ein 3D-Drucker ein Betongebäude gebaut hat, das einem Erdbeben der Stärke 8 standhalten kann. Mit der Zeit scheint auch der "3D-Druck eines 3D-Druckers" möglich zu sein.

Aber abgesehen von diesen Aussichten interessieren sich Bastler und Macher nach wie vor mehr für Desktop-3D-Drucker - welche Typen es gibt, wie schnell sie drucken und wie viel sie kosten. Wenn Sie gerne den Dingen auf den Grund gehen oder schon einmal versucht haben, einen 3D-Drucker selbst zu bauen, haben Sie sich bestimmt auch schon einmal die Frage gestellt: Wie bewegen sie sich?

XYZ, I3 und CoreXY sind derzeit die beliebtesten Modelle von Desktop-3D-Druckern. Sie bewegen sich folgendermaßen: Das Gerät verfügt über eine oder mehrere Achsen in den Richtungen X, Y und Z des 3D-Koordinatensystems. Ein Ende jeder Achse ist mit einem Motor ausgestattet, der für den Antrieb sorgt. Zahnriemen oder Spindeln wandeln dann die Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung um. Mit den linearen Führungsschienensystemen in den drei Richtungen kann die Maschine schließlich die Düse an jedem beliebigen Punkt in dem von den Achsen gebildeten 3D-Raum positionieren, das Filament extrudieren und ein 3D-Objekt erzeugen.

Warum sind Führungssysteme wichtig?

Die Führungssysteme dienen hauptsächlich 3 Zwecken während des Druckens:

1. Präzision: Sie sorgen für enge Toleranzen, verhindern ein Taumeln und stellen sicher, dass sich der Druckkopf oder das auf den Führungen installierte Heizbett linear in der vorgegebenen Richtung bewegt;

2. Sanftheit: Verringern die Reibung mit Lagern oder Rollen und tragen zu einer gleichmäßigeren Bewegung bei;

3. Verlässlichkeit: Führungsstrukturen mit hervorragender Steifigkeit können die Maschinenzuverlässigkeit verbessern und dazu beitragen, dass die Drucke im Laufe der Zeit konsistenter werden.

Die Vielfalt der Führungssysteme

Im Allgemeinen werden in 3D-Druckern folgende Führungssysteme verwendet:

1. Räder und Profile

2. Lineare Stangen und Lager

3. Lineare Schienen

4. Eingebettete Linearschienen

Räder und Profile

Von allen Führungen ist die Kombination aus Rädern und Profilen wahrscheinlich die häufigste und kostengünstigste. In der Regel laufen 3 bis 4 Rollen entlang der V- oder T-förmigen Nut des Profils, um die Bewegungen zu führen.

Der Außenring der Räder besteht meist aus POM (Polyformaldehyd), der Innenring aus Stahl und Kugellagern. POM hat eine hohe Festigkeit, eine geringe Verformung und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, wodurch es sich besonders für die Herstellung von Druckerrädern eignet. Bei sachgemäßer Verwendung können POM-Rollen Hunderte von Stunden halten. Einige Hersteller verwenden auch PC (Polycarbonat) zur Herstellung von Rädern, die eine noch höhere Festigkeit und eine längere Lebensdauer aufweisen, allerdings zu einem etwas höheren Preis.

Um eine lineare Bewegung zu gewährleisten, müssen die Räder die Profile richtig greifen. Sind sie zu locker, kann es bei hohen Geschwindigkeiten zu Vibrationen kommen. Bei zu festem Sitz erhöht sich der Verschleiß - zwischen den Rädern und den Schienen können sich Ablagerungen ansammeln, die eine holprige oder unruhige Bewegung verursachen. Daher müssen die Benutzer die Festigkeit der Räder an die Arbeitsweise des Druckers anpassen, Verschmutzungen entfernen und die Räder bei Bedarf austauschen. Im Vergleich zu anderen Führungen muss die Kombination aus Rad und Profil häufiger gewartet werden.

Außerdem haben Kunststoffe eine geringere Steifigkeit als Metalle. Eine Verformung der Räder während der Bewegung ist kaum zu vermeiden, so dass Drucker mit Rädern im Allgemeinen eine geringere Präzision aufweisen als Drucker mit Stahlführungen.

Es gibt zwei Arten von Profilen, die üblicherweise in 3D-Druckern verwendet werden: V-Nut-Profile und T-Nut-Profile. Wie die Namen schon andeuten, besteht der Hauptunterschied zwischen ihnen in der Querschnittsform. Verschiedene Profile lassen sich mit verschiedenen Rädern kombinieren, um gute Führungseffekte zu erzielen.

Da die Profile anpassbar, kostengünstig und ausreichend leistungsfähig sind, ist die Kombination aus Rädern und Profilen die erste Wahl für viele DIY-3D-Drucker-Bauten.

Vorteile

Gute Führungsleistung, preiswert und nützlich;

Vielfältige Optionen, weit verbreitet;

Einfach zu installieren, zu verwenden und zu ändern;

Nachteile

Geringere Präzision;

Anfälliger für Vibrationen;

Erfordert häufigere Wartung.

Lineare Stangen und Lager

Die Einschränkungen von Rad- und Profilführungen haben Heimwerker und Hersteller dazu veranlasst, einer anderen Kombination mit höherer Präzision und Stabilität mehr Aufmerksamkeit zu schenken - Linearstangen und -lager. In den letzten Jahren sind Stangen- und Lagerführungen fast zum Synonym für Führungssysteme für 3D-Drucker geworden. Für jede Achse des Druckers werden mindestens 2 Stangen und 2 Lager benötigt. Die Lager wickeln sich entweder um die Stangen oder kleben an ihnen, während sie mit Schlitten verbunden sind, die mit einem Extruder oder einem beheizten Bett montiert sind, um die lineare Bewegung zu führen.

Ein linearer Stab, auch glatter Stab genannt, ist einfach ein zylindrischer Stahlstab, der in verschiedenen Größen erhältlich ist - 3D-Drucker verwenden in der Regel Stäbe mit einem Durchmesser von 8 mm. Stangen können mit hoher Maßgenauigkeit und sehr glatten Oberflächen bearbeitet werden. In Verbindung mit Kugellagern lassen sich mit richtig montierten Stangen recht gute lineare Bewegungen erzielen.

Und ja, die glatte Oberfläche hat auch ihre Nachteile. Wenn sie zur Führung verwendet werden, müssen die Stangen an beiden Enden mit Metallklammern befestigt werden. Außerdem können sich die Lager nicht nur linear bewegen, sondern sich auch um 360° um die Zylinder drehen. Deshalb müssen sie mit Lagern an einer anderen parallelen Stange verbunden werden, damit sich der Extruder oder das Heizbett linear bewegen kann. Die Parallelität zwischen zwei Stangen kann eine Herausforderung sein, insbesondere für Heimwerker.

Die Verwendung von Wellenführungen bedeutet also einerseits eine höhere Präzision und Stabilität, andererseits aber auch eine größere Stellfläche und ein höheres Gewicht sowie einen höheren Montageaufwand.

Bei den Stangenlagern handelt es sich hauptsächlich um U-Rillen-Lager und Linearlager, die vollständig aus Stahl bestehen. U-Rillen-Lager ähneln Rädern, die auf den Stangen abrollen können. Linearlager haben auf der Außenseite eine zylindrische Hülse und auf der Innenseite mehrere Reihen von Kugeln, die auf der Welle abrollen können. Beide können eine reibungslose Führung mit minimaler Reibung erreichen.

Stangen und Lager sind sehr langlebig und müssen nur gelegentlich von Ablagerungen auf den Stangen gereinigt und die Lager geschmiert werden. Wenn die Stangen in einem Gehäuse eingeschlossen sind und nicht als Rahmen fungieren, ist es einfach, das Gehäuse zu demontieren und die Lager zu schmieren. Allerdings kann der Austausch verschlissener Lager nach längerem Gebrauch etwas schwierig sein.

Vorteile

Ausgezeichnete Führungsleistung, hohe Präzision, moderate Kosten;

Vielfältige Optionen, weit verbreitet;

Geringe Wartungshäufigkeit;

Nachteile

Größere Stellfläche und höheres Gewicht bei geschlossenem Gehäuse;

Parallelität kann ein Problem sein;

Der Austausch von Lagern kann kompliziert sein.

Lineare Schienen

Linearschienen, auch als Linearführungen bezeichnet, sind in den letzten Jahren im Trend. Das Stahlschienenteil hat auf jeder Seite eine Schiene, und die darauf verschachtelten Gleiter enthalten zwei Sätze Kugellager, die sich entlang der Schienen bewegen können. Neben den industriellen 3D-Druckern verwenden auch immer mehr Desktop-Hersteller Linearschienen in ihren High-End-Produktlinien.

Obwohl beide aus Stahl gefertigt sind, sind Linearschienen im Vergleich zu Stangen weniger anfällig für Biegungen und Vibrationen, wenn es um die eigentliche Arbeit geht. Dies ist vor allem auf ihre einzigartige Befestigungsmethode zurückzuführen. Stangen sind nur an beiden Enden befestigt, während Linearschienen in regelmäßigen Abständen Befestigungslöcher auf der Oberfläche haben, so dass sie fest mit dem Gehäuse oder anderen Stützstrukturen verbunden werden können.

Dies gewährleistet einerseits eine stabile lineare Bewegung und verbessert die Druckqualität, andererseits wird die Geschwindigkeitsgrenze erhöht, indem übermäßiges Wackeln bei hohen Geschwindigkeiten verhindert wird. Dies ist einer der Gründe, warum der J1 Hochgeschwindigkeitsdrucken kann.

Bei der Montage können die Linearschienen eine einzelne Achse ohne Paarung führen, was Platz und Gewicht spart und die Maschine leichter und kompakter macht. Auch über die Parallelität der Schienen muss man sich keine Gedanken machen.

Das klingt alles großartig, aber wo ist der Haken? Der Preis. Grobe Berechnungen zeigen, dass die Gleiter für Linearschienen zwar ähnlich teuer sind wie die Lager für Stangen, die Schienen selbst aber etwa das 2,5- bis 4-fache eines Stangenpaars bei gleicher Länge kosten. Im Vergleich dazu sind die Stangen billig und gut genug. Wenn man die zusätzlichen Kosten gegen den Leistungsgewinn abwägt, würden sich die meisten Heimwerker immer noch für Stangen und Lager entscheiden.

Was die Wartung anbelangt, so sind lineare Schienen ähnlich wie die erstgenannten, wobei die Lager regelmäßig geschmiert werden müssen. Freiliegende Schienen müssen außerdem gelegentlich gereinigt werden.

Vorteile

Sehr hohe Präzision;

Unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck;

Kleine Stellfläche, bequem zu bedienen;

Nachteile

Kann nicht als Trägerstrukturen dienen, muss auf Profilen installiert werden, etc;

Teuer.

Eingebettete lineare Schienen

Anstatt die oben genannten Führungen direkt zu verwenden, suchen einige Hersteller, um ihre technischen Möglichkeiten zu verbessern oder um speziellen Produkten gerecht zu werden, nach besseren Lösungen.

Die Stärken von Linearschienen liegen in der hohen Steifigkeit der Stahlschienen und der präzisen, leichtgängigen Bewegung, die durch die Kugellager ermöglicht wird. Diese Vorteile bleiben bei eingebetteten Linearschienen erhalten.

Bei der Herstellung der Linearmodule bettet FUYU zwei Stahlstreifen in die Innenwände des Gehäuses aus einer Aluminiumlegierung ein und schleift dann den Stahl präzise mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich zu Schienen. Durch die breiteren eingebetteten Schienen wird die Steifigkeit weiter verbessert, ohne das Gewicht zu erhöhen, und eignet sich besser für Hochleistungs-CNC-Operationen - schließlich benötigen gewöhnliche 3D-Drucker keine so extreme Steifigkeit.

Im Vergleich zur direkten Montage von Linearschienen auf der Oberfläche von Strangpressprofilen verhindert die Einbettung der Stahlschienen im Inneren der Linearmodule die Staubablagerung auf den Schienen und verringert so die Wartungshäufigkeit. Außerdem werden die Module dadurch leichter und kompakter, so dass eine teure Maschine nicht wie ein Heimwerkerprojekt aussieht. Das Einbetten von Linearschienen stellt den Hersteller jedoch vor erhebliche Herausforderungen bei der Herstellung, ohne dass er einen Kostenvorteil gegenüber normalen Linearschienen hätte.

Vorteile

Wie bei Linearschienen: sehr hohe Präzision, unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck, geringer Platzbedarf;

Weiter verbesserte Schienensteifigkeit;

Geringere Wartungshäufigkeit bei geschlossenen Schienen;

Nachteile

Teuer;

Nicht für Heimwerker geeignet.