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I sistemi di guide lineari sugli assi delle stampanti 3D

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4 diversi tipi di sistema di guida.

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la tecnologia della stampa 3D avanza a passi da gigante. Un momento prima si parla della realizzazione di piccoli giocattoli per intrattenere i bambini e un secondo dopo si apprende che una stampante 3D ha costruito un edificio in cemento armato in grado di resistere a un terremoto di 8 magnitudo. Con il tempo, anche "stampare in 3D una stampante 3D" sembra possibile.

Ma lasciando da parte le prospettive, ciò che interessa di più agli hobbisti e ai maker restano le stampanti 3D desktop: quali sono, a che velocità stampano e quanto costano. Se vi piace andare a fondo delle cose, o se avete mai provato ad autocostruirvi una stampante 3D, vi sarete sicuramente posti questa domanda: come si muovono?

XYZ, I3 e CoreXY sono attualmente i modelli più diffusi di stampanti 3D desktop. Ecco come si muovono: la macchina ha uno o più assi nelle direzioni X, Y e Z del sistema di coordinate 3D. Un'estremità di ciascun asse è dotata di un motore che fornisce energia. Le cinghie sincrone o le viti di trazione convertono poi la rotazione del motore in movimento lineare lungo le direzioni X, Y e Z. Infine, grazie ai sistemi di guide lineari nelle 3 direzioni, la macchina può posizionare l'ugello in qualsiasi punto dello spazio 3D formato dagli assi, estrudere il filamento e creare un oggetto 3D.

Perché i sistemi di guida sono importanti?

I sistemi di guida servono principalmente a 3 scopi durante la stampa:

1. Precisione: Realizzano tolleranze strette, prevengono le oscillazioni e assicurano che la testina di stampa o il letto riscaldato installato sulle guide si muova linearmente lungo la direzione prestabilita;

2. Scorrevolezza: Riducono l'attrito con i cuscinetti o i rulli e contribuiscono a rendere più fluido il movimento;

3. Affidabilità: Le strutture di guida con un'eccellente rigidità possono migliorare l'affidabilità della macchina e contribuire a ottenere stampe più uniformi nel tempo.

La varietà dei sistemi di guida

In generale, i sistemi di guida utilizzati nelle stampanti 3D comprendono:

1. Ruote e profili

2. Aste lineari e cuscinetti

3. Guide lineari

4. Guide lineari integrate

Ruote e profili

Tra tutte le guide, la combinazione di ruote e profili è probabilmente la più comune ed economica. In genere ci sono 3 o 4 rulli che scorrono lungo la scanalatura a V o a T del profilo per guidare i movimenti.

L'anello esterno delle ruote è generalmente realizzato in POM (poliformaldeide), mentre l'anello interno è composto da acciaio e cuscinetti a sfera. Il POM ha un'elevata resistenza, una bassa deformazione e un'eccellente resistenza all'abrasione, che lo rendono particolarmente adatto alla produzione di ruote per stampanti. Se utilizzati correttamente, i rulli in POM possono durare centinaia di ore. Alcuni produttori utilizzano anche il PC (policarbonato) per produrre ruote, che hanno una resistenza ancora maggiore e una durata più lunga, anche se a un prezzo leggermente superiore.

Per garantire un movimento lineare, le ruote devono aderire correttamente ai profili. Se troppo allentate, si possono verificare vibrazioni ad alta velocità. Un serraggio troppo stretto aumenta l'usura: i detriti accumulati possono accumularsi tra le ruote e le guide, causando un movimento irregolare o nervoso. Gli utenti devono quindi regolare la tenuta delle ruote in base al funzionamento della stampante, pulire i detriti e sostituire le ruote quando necessario. Rispetto ad altre guide, la combinazione di ruote e profili richiede una manutenzione più frequente.

Inoltre, le materie plastiche hanno una rigidità inferiore rispetto ai metalli. La deformazione delle ruote durante il movimento è difficile da evitare, quindi le stampanti che utilizzano le ruote hanno generalmente una precisione inferiore rispetto a quelle con guide in acciaio.

I profili comunemente utilizzati nelle stampanti 3D sono disponibili in due tipi: Profili con scanalatura a V e Profili con scanalatura a T. Come suggeriscono i nomi, la differenza principale è la forma della sezione trasversale. Profili diversi si abbinano a ruote diverse per ottenere buoni effetti di guida.

Poiché i profili sono personalizzabili, poco costosi e con prestazioni sufficienti, la combinazione di ruote e profili è la scelta migliore per molti progetti di stampanti 3D fai da te.

Vantaggi

Buone prestazioni di guida, economiche e utili;

Opzioni abbondanti, ampiamente disponibili;

Facile da installare, utilizzare e modificare;

Svantaggi

Precisione inferiore;

Più inclini alle vibrazioni;

Richiede una manutenzione più frequente.

Aste e cuscinetti lineari

I limiti delle guide a rotella e a profilo hanno indotto gli autocostruttori e i produttori a rivolgere l'attenzione a un'altra combinazione con precisione e stabilità superiori: aste e cuscinetti lineari. Negli ultimi anni, le guide ad asta e cuscinetti sono diventate quasi sinonimo di sistemi di guida per stampanti 3D. Per ogni asse della stampante sono necessarie almeno 2 aste e 2 cuscinetti. I cuscinetti si avvolgono o si aggrappano alle aste, collegandosi ai carrelli montati con un estrusore o un letto riscaldato, per guidare il movimento lineare.

Un'asta lineare, nota anche come asta liscia, è semplicemente un'asta cilindrica in acciaio, disponibile in varie dimensioni - le stampanti 3D utilizzano in genere aste di 8 mm di diametro. Le aste possono essere lavorate con un'elevata precisione dimensionale e superfici molto lisce. Abbinate a cuscinetti a sfera, le aste correttamente assemblate possono ottenere movimenti lineari abbastanza buoni.

E sì, ci sono anche degli svantaggi legati alla scorrevolezza. Se utilizzate per la guida, le aste devono essere fissate a entrambe le estremità con morsetti metallici. Inoltre, i cuscinetti non si muovono solo linearmente, ma ruotano anche di 360° intorno ai cilindri. Per questo motivo devono essere collegati a cuscinetti su un'altra asta parallela per consentire all'estrusore o al letto riscaldato di muoversi linearmente. Il parallelismo tra due aste può essere impegnativo, soprattutto per gli amanti del fai-da-te.

Pertanto, l'utilizzo di guide per aste comporta una maggiore precisione e stabilità da un lato, ma anche un ingombro e un peso maggiori e una maggiore difficoltà di montaggio dall'altro.

I cuscinetti utilizzati con le aste sono principalmente cuscinetti con scanalatura a U e cuscinetti lineari interamente in acciaio. I cuscinetti con scanalatura a U assomigliano a ruote che possono rotolare lungo le aste. I cuscinetti lineari hanno un manicotto cilindrico all'esterno, con diverse file di sfere all'interno che possono scorrere lungo l'asta. Entrambi possono realizzare una guida fluida con un attrito minimo.

Le aste e i cuscinetti sono di lunga durata e richiedono solo una pulizia occasionale degli accumuli sulle aste e la lubrificazione dei cuscinetti. Se le aste sono racchiuse in un alloggiamento invece di fungere da telaio, lo smontaggio dell'alloggiamento e la lubrificazione dei cuscinetti sono semplici. Tuttavia, la sostituzione dei cuscinetti usurati dopo un uso prolungato può essere un po' complicata.

Vantaggi

Eccellenti prestazioni di guida, elevata precisione, costo contenuto;

Numerose opzioni, ampiamente disponibili;

Bassa frequenza di manutenzione;

Svantaggi

Ingombro e peso maggiori quando sono chiusi;

Il parallelismo può essere un problema;

La sostituzione dei cuscinetti può essere complicata.

Guide lineari

La rotaia lineare, detta anche guida lineare, ha fatto tendenza negli ultimi anni. La parte di guida in acciaio ha un binario su ciascun lato e i cursori annidati su di essa contengono 2 serie di cuscinetti a sfera che possono scorrere lungo i binari. Oltre alle stampanti 3D industriali, sempre più produttori di desktop utilizzano le guide lineari nelle loro linee di prodotti di fascia alta.

Sebbene entrambe siano realizzate in acciaio, quando si tratta di lavoro vero e proprio, le guide lineari sono meno soggette a flessione e vibrazioni rispetto alle aste. Ciò è dovuto principalmente al loro particolare metodo di montaggio. Le aste sono fissate solo alle due estremità, mentre le guide lineari hanno fori di montaggio a intervalli regolari sulla superficie, che consentono di fissarle saldamente all'alloggiamento o ad altre strutture di supporto.

Ciò garantisce un movimento lineare stabile e migliora la qualità di stampa, da un lato, e aumenta il limite di velocità impedendo un eccessivo scuotimento a velocità elevate, dall'altro. Questo è uno dei motivi per cui J1 può raggiungere l'alta velocità di stampa.

Durante l'assemblaggio, le guide lineari possono guidare un singolo asse senza accoppiamento, risparmiando spazio e peso per rendere la macchina più leggera e compatta. Inoltre, non è necessario preoccuparsi del parallelismo delle guide.

Sembra tutto fantastico, ma qual è il problema? Il prezzo. Secondo calcoli approssimativi, mentre i cursori per guide lineari hanno prezzi simili a quelli dei cuscinetti per aste, le guide stesse costano circa 2,5 - 4 volte di più di una coppia di aste di lunghezza equivalente. In confronto, le aste sono economiche e sufficientemente buone. Se si considera il costo aggiuntivo rispetto all'aumento delle prestazioni, la maggior parte degli autocostruttori opterebbe comunque per aste e cuscinetti.

Per quanto riguarda la manutenzione, le guide lineari sono simili alle prime e richiedono una lubrificazione regolare dei cuscinetti. Anche le guide esposte necessitano di una pulizia occasionale.

Vantaggi

Altissima precisione;

Supporta la stampa ad alta velocità;

Ingombro ridotto, comodo da usare;

Svantaggi

Non può servire come struttura di supporto, deve essere installato su profili, ecc;

Costoso.

Binari lineari incassati

Invece di utilizzare direttamente le guide di cui sopra, alcuni produttori, per migliorare le capacità tecniche o per soddisfare prodotti specifici, stanno esplorando soluzioni migliori.

I punti di forza delle guide lineari risiedono nell'elevata rigidità delle guide in acciaio e nel movimento preciso e fluido consentito dai cuscinetti a sfera. Questi vantaggi sono conservati nelle guide lineari integrate.

Nella produzione dei moduli lineari, FUYU inserisce due strisce di acciaio nelle pareti interne dell'alloggiamento in lega di alluminio, quindi leviga con precisione l'acciaio in rotaie con un'accuratezza di lavorazione a livello di micron. Inoltre, grazie alle guide integrate più larghe, la rigidità è ulteriormente migliorata senza aumentare il peso, adattandosi meglio alle operazioni CNC ad alta potenza - dopo tutto, le stampanti 3D ordinarie non richiedono una rigidità così estrema.

Rispetto al montaggio diretto delle guide lineari sulla superficie degli estrusi, l'inserimento delle guide in acciaio all'interno dei moduli lineari evita l'accumulo di polvere sulle guide, riducendo la frequenza di manutenzione. Inoltre, rende i moduli più leggeri e compatti, in modo che una macchina costosa non finisca per assomigliare al progetto di un appassionato del fai-da-te. Tuttavia, l'incorporazione delle guide lineari comporta notevoli sfide di produzione per il produttore, senza alcun vantaggio in termini di costi rispetto alle normali guide lineari.

I vantaggi

Come le guide lineari: altissima precisione, supporto della stampa ad alta velocità, ingombro ridotto;

Rigidità delle guide ulteriormente migliorata;

Ridotta frequenza di manutenzione con le guide chiuse;

Svantaggi

Costoso;

Non adatto al fai-da-te.