Муфти Oldham у 3D-принтерах: покращення точності друку на машинах CoreXY та декартових системах

Якщо ви коли-небудь розглядали 3D-друк під спрямованим світлом і помічали регулярний візерунок смуг на вертикальних стінках — смуги, розташовані рівно на один крок ходового гвинта одна від одної — ви бачили прямий результат перекосу ходового гвинта, що передає радіальне коливання в рух по осі Z. Цей артефакт, відомий як Z-смуги, Z-коливання або VFA (вертикальні дрібні артефакти), є однією з найпоширеніших проблем якості друку на декартових та CoreXY 3D-принтерах, і його майже повністю можна запобігти шляхом правильного вибору з'єднання.

The Олдхемське зчеплення — компонент, який рідко обговорюється в спільнотах 3D-друку для споживачів, але добре вивчений в інженерії точного руху — є технічно правильним рішенням для осей Z з ходовим гвинтом. У цій статті пояснюється, чому виникає Z-коливання, як муфта Олдхема його усуває, а також як вибрати та встановити правильну муфту для популярних платформ принтерів.

Чому трапляється Z-коливання: корінна причина

У більшості настільних 3D-принтерів вісь Z приводиться в рух одним або двома ходовими гвинтами, з'єднаними безпосередньо або через жорстке зчеплення з кроковими двигунами. Ходовий гвинт проходить через латунну або антилюфтову гайку, встановлену на X-ґантрі або каретці друку, перетворюючи обертальний рух у вертикальний.

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.

Зміщення, яке спричиняє це коливання, майже неможливо повністю усунути лише за допомогою механічного вирівнювання. Сам ходовий гвинт може мати невеликий допуск прямолінійності. Монтажна плита двигуна може мати невелике кутове відхилення. З'єднувальний елемент може вносити ексцентриситет. А після термоциклування та механічного осідання рами принтера будь-яке початкове вирівнювання буде зміщуватися. З'єднувальний елемент, який передає це зміщення на гвинт, завжди створюватиме певний ступінь Z-подібного коливання; з'єднувальний елемент, який поглинає зміщення, повністю запобігає йому.

Чому гнучкі муфти частково вирішують — і частково погіршують — проблему

Більшість 3D-принтерів постачаються з одним із двох типів з'єднання: жорстким алюмінієвим з'єднанням або гнучким спіралеподібним з'єднанням (іноді його називають гвинтовим або балковим з'єднанням). Розуміння того, чому жоден з них не є оптимальним рішенням, допомагає пояснити, чому з'єднання Oldham є кращим для цього конкретного застосування.

Жорсткі з'єднувальні елементи передають будь-яке перекіс валу двигуна безпосередньо на ходовий гвинт, створюючи максимальне Z-подібне коливання. Вони є найгіршим вибором для цього застосування, якщо вирівнювання валу не ідеальне, чого на практиці ніколи не буває.

Гнучкі спірально-розрізні з'єднувачі покращують жорсткі з'єднувальні елементи, забезпечуючи певну кутову та поперечну податливість, що зменшує коливання, що передаються на ходовий гвинт. Однак вони роблять це за рахунок пружної деформації — діють як торсійна пружина. Ця податливість має два негативні наслідки: по-перше, пружиноподібна відновлювальна сила тисне на неспіввісність, передаючи радіальну силу на підшипник двигуна та торцевий підшипник ходового гвинта з кожним обертом; по-друге, крутильне змотування під навантаженням вносить невелике, але потенційно вимірне фазове зволікання між кроком двигуна та обертанням гвинта, яке може проявлятися як невідповідність між шарами при різних екструзійних навантаженнях.

Муфта Oldham поглинає бічне зміщення за допомогою свого механізму ковзного диска — без будь-якої сили повернення пружини, без будь-якої крутильної податливості та без будь-якої фазової затримки. Двигун та ходовий гвинт обертаються точно синхронно, тоді як зміщення між їхніми осями повністю компенсується самою муфтою.

Як муфта Oldham усуває Z-коливання

Коли муфта Oldham з'єднує вал крокового двигуна з ходовим гвинтом, центральний диск ковзає в пазах маточини, постійно поглинаючи будь-яке бічне зміщення між двома осями вала. Ходовий гвинт обертається з точно потрібною швидкістю обертання в кожному кутовому положенні — без орбітального руху, без періодичної бічної сили на гайці ходового гвинта, без Z-подібного коливання друкованої поверхні.

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.

Застосування на поширених архітектурах 3D-принтерів

Декартові принтери (типу Prusa i3, з плоским кріпленням): Ці принтери зазвичай використовують один або два ходові гвинти T8 (діаметр 8 мм, крок 2 мм), що приводяться в рух кроковими двигунами NEMA 17 з вихідними валами 5 мм. Муфта Oldham замінює стандартну гнучку муфту в місці з'єднання двигуна з ходовим гвинтом. Ключова специфікація - це провідний отвір 5 мм (вал двигуна) та ведений отвір 8 мм (ходовий гвинт) з можливістю бічного зміщення щонайменше 0,5 мм для покриття типових допусків вирівнювання на друкованих або штампованих кріпленнях двигуна.

Принтери CoreXY (у стилі Voron, RatRig, BambuLab): Архітектури CoreXY зазвичай керують віссю Z за допомогою двох-чотирьох ходових гвинтів, синхронізованих або механічно, або через незалежні крокові двигуни з електронним вирівнюванням по осі Z (чотирипортальне вирівнювання або подібне). У цих системах кожне з'єднання ходового гвинта та двигуна має перевагу в муфті Олдхема з тих самих причин, що й декартовий принтер, з додатковим урахуванням того, що незалежні двигуни Z потребують муфти для врахування будь-яких диференціальних помилок вирівнювання між чотирма положеннями кріплення двигунів.

Дельта-принтери: Дельта-архітектури не використовують ходові гвинти для основного руху — вони використовують зубчасті ремені на вертикальних лінійних рейках. Муфти Oldham зазвичай не використовуються в системі основного руху дельта-принтера. Однак, якщо дельта-принтер використовує робочу платформу з приводом від ходового гвинта (деякі використовують для автоматичного вирівнювання платформи), застосовуються ті ж міркування щодо Z-коливань.

Принтери на основі смоли (MSLA/DLP): Вісь Z принтера на основі смоли піднімає та опускає платформу для друку за допомогою ходового гвинтового приводу, при цьому роздільна здатність друкованого шару зазвичай становить від 10 до 50 мікрон. При такій роздільній здатності Z-подібне коливання є не лише косметично небажаним — воно може спричинити розшарування між шарами або повний збій друку. З цієї причини муфти Oldham все частіше використовуються в принтерах MSLA вищого класу.

Вибір правильного з'єднання Oldham для вашого принтера

Для 3D-принтерів, якщо дозволяє конструкція муфти, вибирайте маточини затискного типу, а не маточини з гвинтовим кріпленням. Маточини з гвинтовим кріпленням з часом можуть вм'яти поверхню ходового гвинта, що ускладнює видалення гвинта для обслуговування, а також вони забезпечують менш стабільне зусилля затиску. Більшість комерційних муфт Oldham для використання в 3D-принтерах доступні з затискними отворами як у конфігураціях 5 мм, так і 8 мм.

Поради щодо встановлення 3D-принтерів

Не перетягуйте маточину з боку ходового гвинта. Ходові гвинти для 3D-принтерів зазвичай виготовляються з нержавіючої сталі з м’яким покриттям поверхні. Занадто сильне затискання за допомогою маточини з гвинтом може деформувати поверхню гвинта або призвести до ексцентриситету. Використовуйте мінімальний крутний момент затиску, який запобігає прослизанню — крутний момент, що передається приводом осі Z, дуже низький (зазвичай менше 0,1 Нм), тому потрібне дуже незначне зусилля затиску.

Дозвольте гвинту вільно рухатися вздовж осі. Ходовий гвинт у більшості 3D-принтерів не має осьового затиску на кінці двигуна — він обмежений зверху гайкою ходового гвинта, а знизу лише власною вагою. Переконайтеся, що муфта Oldham не затискає ходовий гвинт осьово до підшипника двигуна. Залиште невеликий осьовий зазор між поверхнями диска та маточини, як описано в інструкціях з встановлення.

Не намагайтеся вирівняти двигун відносно гвинта. Це ключовий момент: на відміну від жорстких або спіральних муфт, немає потреби витрачати час на точне вирівнювання двигуна відносно осі ходового гвинта. Муфта Oldham компенсує зміщення. Просто встановіть двигун на його пластину, вставте муфту, і зміщення обробляється автоматично. Витрачання годин на підрівнювання прокладок двигуна є зайвими зусиллями, коли використовується муфта Oldham.

Якого покращення очікувати

Користувачі, які переходять з гнучких спіральних муфт на муфти Oldham у приводах осі Z, постійно повідомляють про такі покращення:

• Усунення або значне зменшення артефактів Z-подібної смуги на друкованих стінах
• Більш рівномірні лінії шарів по всій висоті відбитка
• Знижена чутливість до змін струму двигуна та налаштувань мікрокрокової зміни
• Тихіша робота осі Z, особливо на низьких швидкостях спуску, що використовуються під час вирівнювання друку
• Усунення необхідності використання плагінів компенсації Z-коливань у прошивці (Marlin, Klipper)

Покращення найбільш помітне на високих відбитках з гладкими вертикальними стінами — вазах, циліндрах та архітектурних моделях — де візерунки смуг видно найлегше. На текстурованих або дрібнодеталізованих поверхнях покращення реальне, але менш очевидне одразу.

Висновок

Муфта Oldham — це інженерно правильне рішення для приводів ходового гвинта осі Z 3D-принтерів. Вона усуває Z-коливання в місці їх виникнення, поглинаючи бічне зміщення між двигуном і гвинтом без будь-якої сили пружинного зворотного зусилля, без крутильної податливості та без необхідності точного механічного вирівнювання. Для будь-якого принтера, де важлива якість поверхні, — і особливо для принтерів на основі смоли, що працюють з роздільною здатністю шарів на мікронному рівні, — це одне з найефективніших доступних оновлень обладнання.

Перегляньте наші Асортимент муфт Oldham для застосування на 3D-принтерах з конфігураціями отворів 5 мм та 8 мм, або зв'яжіться з нами для отримання інструкцій щодо вашої конкретної платформи принтера.