Соединения Олдхэма в 3D-принтерах: повышение точности печати на станках CoreXY и декартовых системах координат.

Если вы когда-либо рассматривали 3D-печать под косым светом и замечали регулярный полосатый рисунок на вертикальных стенках — полосы, расположенные ровно на расстоянии одного шага ходового винта друг от друга, — вы видели прямой результат смещения ходового винта, передающего радиальное колебание в движение по оси Z. Этот артефакт, известный под разными названиями: полосатость по оси Z, колебание по оси Z или VFA (вертикальные мелкие артефакты), является одной из наиболее распространенных проблем качества печати на 3D-принтерах с декартовой и CoreXY-системами, и его практически полностью можно предотвратить путем правильного выбора муфты.

Он Олдхэмская пара — компонент, редко обсуждаемый в сообществах пользователей 3D-принтеров, но хорошо известный в области точной механики перемещения, — является технически правильным решением для осей Z с винтовым приводом. В этой статье объясняется, почему возникает колебание оси Z, как муфта Олдхема устраняет его, а также как выбрать и установить подходящую муфту для популярных платформ принтеров.

Почему возникает Z-колебание: первопричина

На большинстве настольных 3D-принтеров ось Z приводится в движение одним или двумя ходовыми винтами, соединенными напрямую или через жесткую муфту с шаговыми двигателями. Ходовой винт проходит через латунную или противолюфтовую гайку, установленную на портале оси X или каретке принтера, преобразуя вращательное движение в вертикальное.

The problem begins with alignment. A leadscrew that is not perfectly coaxial with its driving motor shaft will trace a slight orbital path as it rotates. This orbital motion — the screw’s top end circling around the true axis — pushes and pulls the leadscrew nut laterally with every revolution. The nut, constrained by the gantry and linear rails, cannot move laterally, so it instead induces a periodic vertical positioning error as it rides up and down the wobbling screw thread. One complete screw revolution produces exactly one band on the printed surface.

Смещение, вызывающее это колебание, практически невозможно полностью устранить только за счет механической центровки. Сам ходовой винт может иметь небольшой допуск на прямолинейность. Монтажная пластина двигателя может иметь небольшую угловую погрешность. Муфта может вносить эксцентриситет. А после термоциклирования и механической стабилизации рамы принтера любое первоначальное выравнивание будет смещаться. Муфта, передающая это смещение на винт, всегда будет вызывать некоторую степень колебания по оси Z; муфта, поглощающая смещение, полностью предотвращает его.

Почему гибкие муфты частично решают, а частично усугубляют проблему

Большинство 3D-принтеров поставляются с одним из двух типов соединительных элементов: жестким алюминиевым соединителем или гибким спиральным соединителем (иногда называемым винтовым или балочным соединителем). Понимание того, почему ни один из них не является оптимальным решением, помогает объяснить, почему соединитель Олдхема превосходит другие варианты в данном конкретном применении.

Жесткие муфты Они передают любое смещение вала двигателя непосредственно на ходовой винт, вызывая максимальное колебание по оси Z. Это наихудший выбор для данного применения, если только выравнивание вала не идеально — чего на практике никогда не бывает.

Гибкие спирально нарезанные муфты Они превосходят жесткие муфты, обеспечивая некоторую угловую и боковую податливость, что уменьшает колебания, передаваемые на ходовой винт. Однако они делают это за счет упругой деформации — они действуют как торсионная пружина. Эта податливость имеет два негативных последствия: во-первых, пружиноподобная восстанавливающая сила противодействует смещению, передавая радиальную силу на подшипник двигателя и подшипник конца ходового винта при каждом обороте; во-вторых, крутильный изгиб под нагрузкой вносит небольшую, но потенциально измеримую фазовую задержку между шагом двигателя и вращением винта, которая может проявляться как послойная несогласованность при изменяющихся нагрузках экструзии.

Муфта Олдхэма компенсирует боковое смещение за счет механизма скользящего диска — без пружинной восстанавливающей силы, без крутильной податливости и без фазового сдвига. Двигатель и ходовой винт вращаются в точной синхронности, а смещение между их осями полностью компенсируется самой муфтой.

Как муфта Олдхэма устраняет Z-образное шатание

Когда муфта Олдхема соединяет вал шагового двигателя с ходовым винтом, центральный диск скользит внутри пазов ступицы, непрерывно компенсируя любое боковое смещение между двумя осями валов. Ходовой винт вращается с точно заданной скоростью при каждом угловом положении — без орбитального движения, без периодической боковой силы на гайке ходового винта, без люфта по оси Z на печатной поверхности.

Critically, the Oldham coupling also imposes zero radial force on the motor bearing and zero lateral force on the leadscrew. The motor bearing only carries the forces it was designed for. The leadscrew runs straight. The print surface shows no banding regardless of how significant the lateral offset between the motor and screw axes actually is — up to the coupling’s rated misalignment capacity.

Применение на распространенных архитектурах 3D-принтеров

Декартовы принтеры (типа Prusa i3, с механизмом перемещения платформы): В этих принтерах обычно используются один или два ходовых винта T8 (диаметр 8 мм, шаг 2 мм), приводимые в движение шаговыми двигателями NEMA 17 с выходными валами диаметром 5 мм. Муфта Олдхема заменяет стандартную гибкую муфту в месте соединения двигателя и ходового винта. Ключевая характеристика — диаметр входного отверстия (вала двигателя) 5 мм и диаметр ведомого отверстия (ходового винта) 8 мм, с возможностью бокового смещения не менее 0,5 мм для обеспечения типичных допусков на выравнивание на печатных или штампованных креплениях двигателя.

Принтеры CoreXY (типа Voron, RatRig, BambuLab): В архитектурах CoreXY ось Z обычно приводится в движение двумя-четырьмя ходовыми винтами, синхронизированными либо механически, либо через независимые шаговые двигатели с электронной системой выравнивания по оси Z (система выравнивания четырехпортального крана или аналогичная). В таких системах каждое соединение ходового винта и двигателя использует муфту Олдхема по тем же причинам, что и в декартовых системах 3D-печати, с дополнительным учетом того, что независимые двигатели оси Z требуют наличия муфты для компенсации любых дифференциальных ошибок выравнивания между четырьмя положениями крепления двигателя.

Принтеры Delta: В дельта-принтерах для основного перемещения не используются ходовые винты — вместо них применяются зубчатые ремни на вертикальных линейных направляющих. Муфты Олдхема обычно не используются в системе основного перемещения дельта-принтеров. Однако, если в дельта-принтере используется платформа с ходовым винтом (некоторые используют её для автоматической калибровки платформы), то те же соображения относительно колебаний по оси Z остаются в силе.

Смоляные принтеры (MSLA/DLP): В 3D-принтере, использующем смоляную смолу, ось Z поднимает и опускает рабочую платформу с помощью винтового привода, при этом разрешение слоя печати обычно составляет от 10 до 50 микрон. При таком разрешении колебания по оси Z не только нежелательны с эстетической точки зрения, но и могут привести к расслоению между слоями или полному сбою печати. ​​По этой причине в высококлассных MSLA-принтерах все чаще используются муфты Олдхема.

Выбор подходящей муфты Олдхэма для вашего принтера.

Для применения в 3D-принтерах следует выбирать ступицы зажимного типа, а не ступицы с установочным винтом, если это позволяет конструкция муфты. Ступицы с установочным винтом со временем могут оставлять вмятины на поверхности ходового винта, что затрудняет его извлечение для обслуживания, и обеспечивают менее стабильное усилие зажима. Большинство коммерческих муфт Олдхема для использования в 3D-принтерах доступны с зажимными отверстиями как 5 мм, так и 8 мм.

Советы по установке 3D-принтеров

Не затягивайте ступицу со стороны ходового винта слишком сильно. Ходовые винты для 3D-принтеров обычно изготавливаются из нержавеющей стали с мягкой поверхностью. Слишком сильное зажимание с помощью ступицы установочного винта может деформировать поверхность винта или вызвать эксцентриситет. Используйте минимальный момент зажима, предотвращающий проскальзывание — момент, передаваемый приводом по оси Z, очень мал (обычно менее 0,1 Нм), поэтому требуется очень небольшое усилие зажима.

Дайте винту свободно перемещаться в осевом направлении. В большинстве 3D-принтеров ходовой винт не имеет осевой фиксации со стороны двигателя — он фиксируется сверху гайкой ходового винта, а снизу — только собственным весом. Убедитесь, что муфта Олдхема не зажимает ходовой винт в осевом направлении относительно подшипника двигателя. Оставьте небольшой осевой зазор между поверхностью диска и ступицы, как описано в инструкции по установке.

Не пытайтесь выровнять двигатель по винту. Ключевое преимущество заключается в следующем: в отличие от жестких или спиральных муфт, нет необходимости тратить время на точное выравнивание двигателя относительно оси ходового винта. Муфта Олдхема компенсирует смещение. Просто установите двигатель на пластину, вставьте муфту, и несоосность будет устранена автоматически. При использовании муфты Олдхема трата часов на регулировку двигателя становится излишней.

Каких улучшений следует ожидать?

Пользователи, перешедшие с гибких спиральных муфт на муфты Олдхема в приводах по оси Z, неизменно отмечают следующие улучшения:

• Устранение или существенное уменьшение артефактов Z-полос на печатных стенах.
• Более равномерные линии слоев по всей высоте изображения.
• Сниженная чувствительность к изменениям тока двигателя и настройкам микрошага.
• Более тихая работа по оси Z, особенно на низких скоростях опускания, используемых при калибровке печати.
• Устранение необходимости в плагинах компенсации колебаний по оси Z в прошивке (Marlin, Klipper)

Улучшение наиболее заметно на высоких отпечатках с гладкими вертикальными стенками — вазах, цилиндрах и архитектурных моделях, — где полосатый узор виден лучше всего. На текстурированных поверхностях или поверхностях с мелкими деталями улучшение действительно заметно, но менее очевидно.

Заключение

Муфта Олдхэма — это инженерно обоснованное решение для приводов ходового винта по оси Z 3D-принтеров. Она устраняет люфт по оси Z в источнике его возникновения, поглощая боковое смещение между двигателем и винтом без упругого возврата, без торсионной податливости и без необходимости точной механической центровки. Для любого принтера, где важна качество поверхности, и особенно для принтеров, работающих с полимерными смолами и имеющих разрешение слоя на микронном уровне, это одно из наиболее эффективных доступных решений для модернизации оборудования.

Просмотрите наш Ассортимент соединительных муфт Олдхэма для 3D-принтеров с диаметром канала ствола 5 мм и 8 мм, или связаться с нами Для получения рекомендаций по вашей конкретной платформе принтера.