Давно хотел написать статью о своём положительном опыте переделки 3D принтера с линейных стержней на рельсы, похоже время пришло.
В ходе этой статьи расскажу, что и как я делал, возможно, мой опыт кому-то поможет перевести свою рабочую лошадку на рельсы.
▍ Итак, начнём-с.
Казалось, не так давно была мечта о приобретении 3D принтера, сбывшаяся мечта, принтер ANET E16 был заказан в далёком 2019 году из страны дядюшки Ляо.
На удивление принтер пришёл достаточно быстро и коробка почти без вмятин :) Естественно, принтер был собран в тот же вечер и поставлены тестовые печати: кубики, коробочки, башенки. Провозился до поздней ночи. Определялись оптимальные настройки, подстраивался, выравнивался стол раз цать. Уххх как вспомню, так вздрогну. На настройку принтера для достижения приемлемой по качеству печати ушло примерно 2 недели, но учиться работать с этой чудо-машиной приходилось на ходу, каждый раз решать сразу несколько задач и не всегда последовательно. Когда опыты приводили к хорошим результатам, это радовало, значит, есть куда расти.
После 2 месяцев эксплуатации, практически в ежедневном режиме печати, стал замечать, что при движении стола вперёд и назад (ось Y) по описанию стальные стержни диаметром 8 мм (по факту оказались покрытые никелем стержни из низкосортной стали ) и линейные подшипники LM8UU — скрипят и стол шатает, как будто на ухабах катается. Два стержня плюс 4 подшипника, сначала посмотрел не сухие ли они — смазка присутствовала. Дело оказалось в нагрузке на стол и соответственно на направляющие стержни и подшипники.
Вдоль направляющих постепенно нарисовались дорожки из задранного материала стержней.
▍ С этим надо срочно что-то делать!
Два элемента мешают достичь точности печати и плавности хода стола:
«Плавающий стол», выводишь стол в «нули» перед началом работы принтера, а после начала работы непредсказуемым образом стол ведёт в любую из сторон света, т.к. если подшипники работают неравномерно, то перекосы, заклины обеспечены, дело времени.
«Малая нагрузочная способность» стола, соответственно и стержни маловаты и подшипники слабоваты.
Прикинул, при размере модели с максимальным параметром печати принтера и со 100% заполнением получим какой вес должна выдерживать платформа на самом деле и от этих результатов искать решение проблемы.
При размере стола 300 на 300 на 400 мм (0,3м на 0,3м на 0,4м) получаем объём 0.036 м^3 или 36000 см^3 и при весе пластика PETG 1,27гр./см^3 (PETG взят для образца, т.к. чаще всего работаю с ним) платформа должна выдерживать на двух направляющих стержнях массу M=36000 см^3 *1,27 гр/cм^3 = 45 720 грамм или примерно 46 килограмм. Даже если принять во внимание, что подшипники распределяют нагрузку на три неравных части, грубо 46кг / 3, получаем по 15 с копейками килограмм на треть длины стержней 50см / 3 = 16,6(и 6 в периоде) сантиметров в идеальном случае. С учётом того, что линейность стержня вдоль линии перемещения ключевая характеристика и в идеале вообще не должна изменяться, в моём случае стержни просто гнутся и это при том, что я никогда не давал им максимум по нагрузке. Понимая, что такого веса стержням не сдюжить, ушёл на пару дней читать книги, гуглить и перечитывать десятки форумов, дабы узнать, как люди с этим живут и радуются жизни прямому перемещению стола 3d принтера?
Как показал поиск и результаты чтения книг и форумов, всё придумано до нас.
▍ Выход есть! Рельсы наше всё!
В большинстве вариантов предпочтение отдаётся именно рельсам с каретками, как например, эти MGN12H. В моём случае каретки идеально подходили по размерам и высоте, т.к. на наконечниках рельс ещё придётся устанавливать штатный концевой микровыключатель.
Внутреннее устройство показано ниже.
Сами рельсы, каретки и подшипники изготовлены из прочной стали. Заказывал в Китае, у продавца с хорошими отзывами. Фирменные рельсы и каретки от фирмы HiWin стоят как маленький самолёт, но они гарантию дают на свой рельсы и каретки.
Оценим «грузоподъёмность» рельсы и каретки:
- Грузоподъёмность стат. 5.88 кН
- Грузоподъёмность дин. 3.72 кН
кН — килоНютон, килоНьютон Карл!, это не ошибка, в статике получается, рельса с кареткой выдержит массу в кг: 5,88*1000 /10 = 588 кг выдержит и не сомнётся и не продавится. Два раза пересчитал, вдруг ошибка, не верится даже. На длине рельсы в 500 мм, под нашим столом рельсы с каретками даже не шелохнётся, а до прогиба запас прочности просто огромный. Не представляю, что можно катать на таких малипуськах, прям лилипуты на стероидах.
Преимущество рельс и кареток описывается очень просто, они изготавливаются с очень высокой точностью, люфты настолько малы, что когда двигаешь каретку по рельсе кажется, что она не катится, а течёт по рельсе. Ход настолько плавный, что диву даёшься, как такое количество подшипников-шариков слаженно работает. Тот, кто придумал такую конструкцию гений.
Т.к. придётся работать с точными размерами и понадобится рабочий принтер для печати новых деталей, принял решение отмоделировать сначала в 3D редакторе все детали и не зря, т.к. подгонка в «железе» занимает гораздо больше времени чем в 3D редакторе.
Нарисовал все важные элементы: новые наконечники — универсального типа, можно ставить на любое место, включая и под концевой микрик.
подложку между кареткой и рамой стола — очень удобно настраивать стол после сборки всей конструкции.
В итоге после моделирования получилось достаточно надёжная, прочная и простая конструкция.
Напечатал в последний раз, со скрипом, все нужные детали. Снял наконечники, стержни с подшипниками. Установил все детали, соединил винтиками всё вместе, вот что получилось.
Установил подпружиненную основу стола на штатное место, вставил винты в места крепления наконечников и затянул по родным креплениям. Вот тут-то меня и ждал сюрприз. Стол доезжал до середины и дальше не хотел ехать, как будто упирался во что-то, ответ пришёл из мануала по рельсам… допуск на параллельность…
Нас интересует средняя точность — колонка Н, для длины от 500 мм, Параллельность может отклоняться на 131 микрон, не более. С микрометром не напрыгаешься, особенно в движении.
Принято решение дать этой динамической системе самой выровняться и самоюстироваться.
Как показало время — решение было правильным. Ослабив все винты крепления наконечников, через 2-3 печати тестовых заданий, рельсы встали так, как и должны. Каретка со столом каталась на полную длину без заеданий и остановок. После чего винты были затянуты.
Своим техническим решением очень доволен. Трудозатраты и время, не такие большие, как многие думают, которые я вложил в конструкцию принтера, полностью себя окупили, печатаю с января 2020 года и по сей день всё работает идеально. И каждый раз, наблюдая как работает принтер, радуюсь как слон :)
▍ В конечном счёте получилось достигнуть следующего
- Качество печати улучшилось.
- Точность при печати стала на уровне 0,01-0,03 мм.
- Не нужно каждый раз настраивать и калибровать стол, не ведёт его, стоит мертво.
- Скорость печати увеличилась, при сохранении качества.
- Тихая работа кареток по рельсам, принтер во время работы практически не слышно.
Прикладываю видео результата того, что получилось в итоге.
Для всех кто захочет повторить этот путь, вот ссылочка на Thingiverse
Если будут вопросы, всегда отвечу.
Комментарии (59)
webkumo
27.08.2021 12:31Рельсы - ок. Решён вопрос со столом (кстати, в оригинальной конструкции они ещё и "плавают", мне вот у моей A9 пришлось физически "прижать" к столу - люфт сильно снизился). Но почему-то ни слова про то, что и как там с кареткой. И про движки с драйверами тоже интересно - комплектные оставили или сменили... что подозрительно тихо у вас он работает (или микрофон на камере был отключён). Видны какие-то ролики, ездящие по раме в оси x каретки, где движок и какой у него привод - не видно.
alansbor Автор
27.08.2021 12:50Стол принтера я хорошо протянул, он из достаточно толстого металла, с ним проблем не было. Единственное пружины заменил, оригинальные хлипкие.
Драйвера родные, их не менял. Тихо потому что все что надо смазать - смазано и обслуживается. Это же механика за ней уход нужен.
В Е16 стандартные привода - два на подъем каретки с экструдеров, один на ремень оси Y и X. есть желание электронику поставить поинтересней и пробник калибровки поставить - LERDGE. Прошивка хоть и закрытая, но по работе заморочек не должно быть.webkumo
28.08.2021 01:40Понял, присмотрелся к фоте "до" и понял, ваш сразу на алюминевых профилях (у меня-то корпус пластиковый, что и приводит к проблемам, ибо даже твёрдый пластик всё равно будет давать небольшие отклонения... даже если с люфтами справится, что не факт). Вопрос по кинематике оси x каретки там тоже виден.
В связи с этим вопрос - а иной кинематики кроме ременной передачи нет? Мне, просто, покоя не даёт, что при движении там точно есть люфт...
vbifkol
27.08.2021 13:45+3кН — килоНютон, килоНьютон Карл!, это не ошибка, в статике получается, рельса с кареткой выдержит массу в кг: 5,88*1000 /10 = 588 кг выдержит и не сомнётся и не продавится. Два раза пересчитал, вдруг ошибка, не верится даже. На длине рельсы в 500 мм, под нашим столом рельсы с каретками даже не шелохнётся, а до прогиба запас прочности просто огромный.
5,88 - это грузоподъемность каретки, вес, который еще не заклинит ее. Естественно, если под рельсом будет основание. У Вас 300 мм рельс закреплен за 2 конца, грузоподъемность будет зависеть от изгиба рельса, но, думаю, расчетные 50 кг такая система перевезет.
Точность при печати стала на уровне 0,01-0,03 мм.
точность чего? Если печатаете линейку 100мм, она 100 мм по микрометру и есть? А при какой температуре?
alansbor Автор
27.08.2021 14:58Спасибо за пояснение. У меня рельс 500 мм. Расчет нужно вести для 3 одинаковых расстояний крепление - каретка - каретка - крепление. Между ними расстояние которое нагруженный стол пытается прогнуть при полноростовой печати. Поэтому немного прогнутся пружины, каретка как была в нулях так и осталась. Это я ради эксперимента дома проверял уже.
Точность печати, в линейных размерах - ширина высота длина. Отклонение не более 0,03мм.vbifkol
27.08.2021 16:09. У меня рельс 500 мм. Расчет нужно вести для 3 одинаковых расстояний крепление - каретка - каретка - крепление.
Не совсем так. Если б у Вас был идеально жесткий стол, то да. А с жиденьким столом из листового металла деформации от усилия на каждой каретке надо рассматривать отдельно. Впрочем, я уже сказал, что даже 50 кг эту систему до клина не нагрузят, а точности один хрен тут искать не стоит.
Точность печати, в линейных размерах - ширина высота длина. Отклонение не более 0,03мм.
Как мерили, что мерили и чем мерили? КТЛР ПЭТг - 6,6*10-5, т.е. при повышении температуры на 10 градусов 100мм брусок станет 100,07. Брусок на 200 мм станет 200,14. Ну и так далее. Опять же измерение соток на нежестких объектах более 100 мм это отдельная забава, я себе не очень представляю как соответствующая инструментальная база может сочетаться с уровнем статьи.
Попробуйте распечатать брусок, скажем, 100*30*20, а потом цапнуть микрометром.
Igor_omsk
27.08.2021 18:27+2Достичь точности 0,01 на самодельном станке с ЧПУ при обработке металла это уже достижение. При печати на FDM принтере говорить о такой точности это абсурд. Попробуйте распечатать разными пластиками одну деталь, очень удивитесь при измерении даже обычным штангельциркулем. Про сотки молчим. Здесь можно говорить о повторяемости, но тоже очень сомневаюсь.
vbifkol
27.08.2021 18:34+1Ну вот мой опыт примерно такой же. В 5 десяток на 100 мм попал - счастье. Поэтому автора и спрашиваю.
Alex_Mtrskn
28.08.2021 04:00Такая точность печати как у автора редко достижима на кустарных SLA принтерах. На новехоньких formlabs точность печати по XY около 30x30 um
Dolios
27.08.2021 13:55+3Ослабив все винты крепления наконечников, через 2-3 печати тестовых заданий, рельсы встали так, как и должны.
Проезжая мимо станции, у меня слетела шляпа. Простите, не удержался )
alansbor Автор
27.08.2021 14:59-1Хорошее настроение после прочтения статьи - это половина дела ведущая к успеху !
Рад, что вы так классически все сказали, сам порадовался :)
anonymous
00.00.0000 00:00
Kelsink
27.08.2021 19:42А какие именно принтеры у вас были и сколько кг отпечатали? В чем проявлялись проблемы?
Советовать дельту - такое. Механика интересная и красивая, но очень проблемная. Директ экструдер на нее не поставишь, а без него уже как-то не универсально. Linear advance\pressure advance не настроить. Гибкими пластиками не попечатать. Я много печатаю TPU, нейлоном.
Я начинал с дельты. Покупал готовую и слегка перебрал. Закончилось полной переделкой тяг, переходом на магниты, кастомную голову, стендом для сборки и склейки тяг, заменой всего пластика на алюминий, раму собирал вообще на поверочной плите и, один хрен, эта штуковина печататет замечательные овальные объекты на тарелочке. Погрешность минимальная, но все эти проблемы того не стоят. А так проект был интересный.
screwer
31.08.2021 18:48А какой принтер можете посоветовать из серийных, где описанные проблемы отсутствуют с завода ?
Kelsink
03.09.2021 03:15Ой. Очень сложно. Беда в том, что вам в любом случае придется быть чуть-чуть технологом. Т.к. все пластики разные. Параметры разные. Надо понимать ЧТО печать, ЧЕМ печатать, в каких режимах.
Я для себя понял, что не хочу больше гоняться за скоростью. Проще купить еще один принтер и печатать себе стабильненько 40-50мм/с c хорошими ускорениями и шикарным качеством + обязательно нужен direct extruder. Без него прямо вот вообще смысла нет. Чем проще механика, тем легче искать косяки и настраивать.
Отсюда мой выбор. Что-то квадратное.
Если подороже - Original Prusa i3, можно обратить внимание на Пикасо, Ulti, Uni
Из "чуть-чуть" поработать напильником - ender 3. Недавно его продавали за 100$ в моих. Добавить Pi, direct extruder на ~80-100 долларов и в бой. Только это не промышленное решение, но коробок 10 пластика без какого-либо обслуживания он печатает.
Temtaime
27.08.2021 15:00Вы днями печатаете кубы по 46 кг? Интересно, какая ваша самая тяжёлая деталь? :)
Не надо ожидать качества печати от дрыгостола. Лучше бы собрали CoreXY или 0.5XY какой, раз начали переделывать принтер. И термобокс.
alansbor Автор
27.08.2021 15:59+1Нет конечно, но принтер должен быть способен на это, зря что ли такие размеры имеет.
Я старой закалки и привык делать инструмент и вещи надежными. Что бы был запас по прочности.vbifkol
28.08.2021 10:13Чтобы был запас по прочности надо:
сделать раму под рельсы.
сделать нормальное крепление рамы
сделать нормальный стол
Без этого все это баловство. Впрочем, домашние принтеры априори баловство, так что балуйтесь на здоровье.
Igor_omsk
27.08.2021 15:01+2В предложенном варианте использования рельс - это деньги на ветер. Рельсы не предназначены для работы "на весу", для этого как раз предназначены круглые направляющие. Вас не смутило такое количество отверстий для крепления рельс? Это как раз говорит о том что они не несут нагрузку, и должны эксплуатироваться на жесткой подложке (раме). Положите на стол килограммовую болванку и замерьте расстояние между столом и экструдером в крайних точках стола и в середине.
alansbor Автор
27.08.2021 15:03+2Это я уже делал, пружины на столе немного просели, каретке с рельсами хоть бы что.
Я конечно знаю, для чего отверстия в рельсах.
Выкинутые или нет деньги, я так не считаю. У меня ушла головная боль - калибровка стола, скрипение подшипников. Для меня благо, каждый решает для себя.
Спасибо за ваш ответ.vbifkol
27.08.2021 16:33+1каретке с рельсами хоть бы что.
Чем мерили? К сожалению уже ушел с работы, даже интересно стало кинуть рельс и индикатором под килограммом-пятью посмотреть прогиб. Хотя можно симульнуть. Брусок 10*12 мм, легированная сталь, нагрузка 10Н примерно по центру, 3 сотки отклонения.
Ожидаемо. Впрочем, как я и говорил, это пофиг. Гораздо забавнее что 500 Н отклонят рельс на 1,5 мм:
alansbor Автор
29.08.2021 13:33Не совсем правильно смоделировали. Вы забыли про одну штуку. Мы работаем не на 500 мм и одной точкой давления, а работаем на 160 мм плюс каретки это не точечное давление а распределенное на длине каретки. На рельсе две каретки, масимальный прогиб должен быть в середине рельсы (при условии что стол равнонагружен). Но если вес распределяется таким образом, тогда наверно прогиб будет не таким большим. Нет ?
agalakhov
27.08.2021 15:19Параллельность в таких конструкциях устанавливается легко, особенно если там допуск аж 100 микрон, то есть кирзовый сапог. Достаточно затягивать винты постепенно, непрерывно двигая стол туда-сюда от руки. Параллельность установится сама.
Под рельсами нужны опоры, как уже сказали. Два куска того же алюминиевого профиля отрежьте и привинтите.
Igor_omsk
27.08.2021 17:57Расчет не правильный. Рельс в сечении далеко не прямоугольник. Сечение 12х8 а не 12х10, плюс большое количество отверстий для крепления сильно ослабевают балку. Не поленитесь проверить на практике, будете сильно удивлены расхождениями практики с расчетами.
vbifkol
27.08.2021 20:07Если это мне, то я от балды рисовал, просто примерно чтобы похоже было. В действительности нормальный рельс имеет поверхностную закалку, которую я хрен знает как в солиде учесть, так что расхождение может быть в любую сторону.
AlexSky
27.08.2021 19:39+1Эх, жалею, что в свое время не задокументировал строительство своего дельтабота. Проектировал с нуля, делал расчёты и 3D модель всего принтера, моделил все соединительные элементы. Тоже юзал эти рельсы, но они у меня прикручены по всей длине к профилю. Рельсы отлично работают 5+ лет.
DartRaven
27.08.2021 21:10+1Вообще из моего опыта даже на хороших направляющих и с приличными LM8UU стол на валках получается довольно громким. В итоге взял себе для Prusa MK3s втулки скольжения Drylin RJ4JP (оригинальные, а не с Али). Теперь при печати с обдувом поток воздуха шумит громче, чем механика.
alansbor Автор
29.08.2021 13:23Втулки хороши за свои 3 евро и материал отличный. Интересно если такие из фторопласта сделать работать будет ?
DartRaven
31.08.2021 17:33В принципе, да, хотя я не знаю, что будет по скорости износа.
В качестве самодельного печатного варианта попробовал сделать вот такую штуку, корпус из PLA с каналами, куда закладываются кусочки прутка 1,75мм. Пока попробовал нейлон (полиамид-12), работает неплохо, но нужно оценить долговечность. В принципе, аналогично можно заложить и фторопласт, и PEEK.
pbw
27.08.2021 23:43Ну ладно, все это лирика, когда рельсы висят в воздухе без опоры. В любом случае, это будет работать лучше, чем круглые валы. Даже 16-ые валы будут хуже, чем 12-ые рельсы.
Но я не об этом. Хотел бы сказать, что между какими-то там китайскими рельсами, и рельсами Хивин - огромная разница. Это два разных изделия. Хивин просто работает. Стабильное и прогнозируемое качество. Никаких сюрпризов. Что купили - то и получили. Любую каретку можно поставить на любой рельс - и ничего не изменится (учитывая износ компонентов, если это б/у).
Но вот китайские рельсы с Али... у каждого продавца свой заводик. Который делает красно-зеленые каретки, и примерно подходящие под них рельсы. Изделия одного завода обычно совпадают друг с другом. Но не всегда. Каретки, изготовленные в понедельник, не могут ездить нормально по рельсам, изготовленным в пятницу. Могут, к примеру, останавливаться возле каждого крепежного отверстия. Или могут летать над рельсом, как фанера над Парижем (прослабленные шарики). В первом случае спасает паста ГОИ (и скипидар - после), во втором - диспут с продавцом. Ну и т.д. Надеюсь, никто же не будет закупать отдельно шарики, мерять их микрометром, и подбирать серию? А зачем все это, когда цена на Хивины уже подбирается к цене модернизации китайских рельсов?
Ну счастье вам, если купили - и все работает. А часовым индикатором меряли люфты между каретками и рельсами?
Ладно. Что обсуждать клинящие каретки, когда имеется тысяча других слабых мест? А приводы стола и осей? Ремень на такой длине не тянется разве?
Нет, ШВП с преднатягом тут не нужно ставить конечно. Но может хотя бы ходовой винт с двумя гайками? Ну пусть пружинки между гайками будут, и уже станет хорошо.
P.S. Я не прав. Это мой внутренний перфекционист писал, это был не я.
Какая, по сути, разница - что там установлено? Если владелец доволен, и его все устраивает - да пусть хоть на строительных шпильках собрано! Работает? Ну и замечательно.
alansbor Автор
29.08.2021 13:21+1Полностью согласен с вашим перфекционистом, в идеале все должно быть от хайвина. Но мы к сожалению в реальном мире и делаем из того что доступно.
Спасибо вашему перфекционисту :) Все правильно говорит.
Главное что работает и конструкция повторяемая и я доволен результатом.
akaAzazello
28.08.2021 00:52RUVDS уже 3D принтерами занялась? Вроде же хостинг был:(
upd: жду ссылку на возможность печати на ваших 3Д принтерах (вы же расширяете свои возможности)
zhka
28.08.2021 09:03В моем принтере Prusa i4 стол вообще катается всего на одной такой рельсе. Она даже не по середине. И это не мешает вполне классно на нем печатать))
Правда, там рельса таки не висит в воздухе, а прикручена в нескольких точках к основанию. Точно так же и рельсы оси Z - прикручены к профилю каркаса по всей длине. Единственная висящая без дополнительной опоры рельса - на оси X, но она самая короткая в конструкции. Вроде бы нет проблем при этом с тасканием головы, массой под 200 грамм.
Я опасался, что стол со временем начнет люфтить, но нет. Три года уже не начинает.
Tomasina
28.08.2021 23:51Странно, что рельса, которая по высоте вполовину меньше высоты круглой направляющей, прогибается меньше, ведь за прогиб отвечает именно высота конструкции. Нет ли в документации на рельсы упоминания того, что указанные параметры обеспечены только при закреплении всей рельсы на поверхности, а не в висячем положении?
webkumo
29.08.2021 01:26Круглая направляющая - она из довольно мягкого металла (попробуйте согнуть - небольшой изгиб легко получится). Рельса, как я понял, из более твёрдых сталей изготавливается + возможны какие-то технологические усиления.
alansbor Автор
29.08.2021 13:13В мануале нет таких данных, но думается мне, что надо учитывать крепление и отверстия на рельсе. Иначе на более точных механизмах где допуски на туже параллельность еще меньше рельсу просто не вогнать в пределы нужные для работы.
AllexIn
КРуть. Нравится.
У меня ПРуса пару лет без дела стоял и просто рассыпался. Так что предстоит восстанавливать. Буду восстанавливать параллельно с модернизацией, в том числе ориентируясь на вашу статью.
alansbor Автор
Спасибо. Если понадобится совет - обращайтесь, буду рад помочь.