مقایسه ریل واگن و ریل وی (اکستروژن آلمینیوم): سیستم حرکتی چاپگرهای سه بعدیFDM

در طراحی سیستم انتقال نیرو برای چاپگر سه بعدی، عمدتا دو روش وجود دارد که اجزا بر روی آنها سوار می‌ شوند؛ نخستین گزینه، انتخاب یک سیستم ریل خطی است. سپس مانند ریل راه آهن، یک حامل یا لغزنده روی ریل سوار می‌شود، که معمولاً از قسمت زیر پشتیبانی می شود. لغزنده فقط میتواند در مسیر این ریل حرکت کند. دومین گزینه، سیستم راهنمای استوانه ای است که به میلۀ خطی یا میلۀ راهنما یا شفت هارد کروم (Linear rod) معروف است؛میله های خطی یا شفت هارد که جایگزین ضعیفتر «ریل واگن» است در مبحثی جداگانه معرفی میشوند، پس ما در این مقاله به مقایسه ریل-واگن خطی یا Linear Guide Rail با ریل V یا غلتکی خواهیم پرداخت.

انتخاب سیستم ریل خطی پرینتر سه بعدی

ریل خطی سنتی

ریل واگن (لاینیر گاید) از انواع ریل خطی مرسوم بوده و قطعه ای فولاد مستطیلی باریک و بلند است که اتصال دُم‌چلچله‌ ای در دو سمت آن کشیده شده اند. روی این ریل، یک لغزنده یا حامل بنام واگن قرار دارد که حرکتی بسیار دقیق و نرم را فراهم میکند.

نکته: «بال اسکرو» و «لید اسکرو» (عمدتا برای محور Z) از انواع دیگر استاندارد ایجاد حرکت خطی هستند که در چاپگرهای سه بعدی برای انتقال نیرو بکار میروند.

مواد انتخابی برای ریل-واگن از فولاد سخت یا ضدزنگ است زیرا حتی ریل هایی با سطح مقطع کوچک باید در برابر خم شدگی مقاومت کنند. علاوه بر این، ماشینکاری فولاد در این نوع قطعه نسبتاً آسان بوده، بنابراین تلرانس فشرده (tight tolerance) امکان پذیر است.

در حرکت خطی، تلرانس فشرده معمولاً به میزان صاف و مستقیمبودن ریل اشاره دارد. ناگفته نماند که هرگونه خم شدن ریل بر کیفیت چاپ  سه بعدی دستگاه تاثیر میگذارد.

همانطور که گفتیم دم‌چلچله‌‌ای هایی که در دو امتداد ریل بریده شده اند، جایی است که بلبرینگ واگن یا هر بلبرینگ سازگار دیگر روی آن سوار می شوند. این ریلهای روغن کاری شده برای مدتی طولانی عملکرد نرم و خوبی دارند.

دو قانون مهم استفاده از ریل واگن در ساخت چاپگر سه بعدی وجود دارد:

هزینه و نیاز به قاب فیزیکی (شاسی پروفیل) جهت اتصال ریلها.

ریل های باکیفیت و لغزنده های بلبرینگی منطبق با آنها که واگن نامیده میشوند، عمدتا وارداتی هستند که اگرچه در شرایط بازار ایران گران تمام میشوند ولی درعوض کیفیت بسیار بالایی دارند. وقتی ریل واگن کافی برای تمام محورها تهیه شوند، باید قاب یا پروفیلی نیز در کنار آن فراهم شود تا ریل روی آن متصل شود. به طور معمول،این قاب یا شاسی یا پروفیل از اکستروژن آلومینیوم ساخته میشود.

اما چرا به جای ریل واگن گرانقیمت، از خود پروفیل اکستروژن آلومینیوم به عنوان ریل  چاپگر سه بعدی استفاده نکنیم؟!

 پروفیل-ریل اکستروژن آلومینیوم

پاسخ پرسش فوق این است که بله، اکستروژن آلومینیوم هم می تواند مانند یک ریل خطی عمل کند.

انواع مختلفی از اکستروژن آلومینیوم وجود دارد که برای حرکت خطی مناسب هستند. اکثر این اکستروژن پروفیلها نوعی هندسۀ V دارند، که مسیری برای حرکت چرخها ایجاد می کند. از این هندسۀ V در نام این کلاس اکستروژن آلومینیوم استفاده شده و با نام ریل وی (V-rail)  یا V-Slot Aluminum Profile یا V Wheel شناخته میشوند. شاید استفادۀ همزمان از ریل وی به عنوان حامل خطی پروفیل آلمینیوم کمی غیرعادی به نظر برسد، اما موفقیتهایی با این نوع ریل ها برای چاپگر سه بعدی اتفاق افتاده است؛

با این حال، چند عیب اساسی در این حالت وجود دارد که باید از آنها باخبر باشید:

پروفیل آلومینیوم به اندازۀ فولاد «ریل واگن» سفت و سخت نیست – حالت ایده آل، داشتن «ریل پروفیل وی» از جنس فولاد است، اما اکسترود فولاد از پروفیلهای آلمینیومی دشوارتر است و ماشینکاری فولاد برای تبدیل آن به ریل V بسیار گرانتر تمام میشود. ایراد دیگر ترکیب پروفیل اکستروژن آلومینیوم با حامل V rail این است که طول عمر چرخها یا پولی که روی پروفیل ریل حرکت می کنند، نسبت به بلبرینگهای ساچمه ای محکمی که روی سیستم ریل-واگن سوار میشوند، کمتر است.

با این حال برخی سازندگان، حتی با وجود این کمبودها، اعتقاد دارند «حامل وی ریل» سیستمی عالی برای ساخت پرینتر سه بعدی محسوب میشود.

سیستم حاملهای وی ریل (بلبرینگ غلطکی) یا  V-wheels system گرچه ارزانتر هستند ولی نسبت به سیستم ریل خطی سنتی دقت کمتری داشته و نیاز به تعمیرات و سرویسکاری دوره ای دارد که در درازمدت هزینه بر خواهد بود (حتی اگر تولیدکننده ایرانی پرینتر آنقدر معتبر باشد که پس از فروش دستگاه به مشتری همچنان پاسخگو باشد، باز هم دردسرهای هماهنگی و اتلاف وقت برای سرویسکاری از طرف سازنده دستگاه را در نظر بگیرید). بنابراین خرید یک پرینتر سه بعدی با سیستم کارآمد و جاافتاده ریل-واگن خطی یا Wagon linear rail عاقلانه تر و به صرفه تر خواهد بود؛ با وجود اینکه سیستم ریل خطی گرانتر است ولی بسیار بادوام بوده، قطعات کمتری دارد، عمدتا به سرویسکاری دوره ای خاصی نیازی ندارد، حرکت نرم و دقیقی ایجاد میکند و کارکرد بهتری با شرایط ایران دارد.

پرینتر سه بعدی صنعتی >>

حامل ها یا لغزنده وی ریل در چاپگر سه بعدی

وظیفۀ قطعه «حامل» یا «لغزنده یا Carrier یا carriage» در پرینترهای سه بعدی، سوار شدن بر روی سیستم محور حرکتی چاپگر سه بعدی است تا حرکت نرم و روانی ایجاد کند.

اگر حامل روی ریل بلرزد، دقت دستگاه کاهش مییابد، به مرور استهلاک را افزایش داده و کیفیت چاپ دچار مشکل خواهد شد؛ چون لقی حرکت حامل به یک جهت محدود نمی‌شود و تقریباً غیرممکن است که این حرکت اضافی را هنگام چاپ سه بعدی محاسبه کرد، حاملی که به شکل آزادانه و ناپایدار روی ریل حرکت کند، می‌تواند باعث خرابی چاپ شود یا حداقل کیفیت چاپ را بشدت کاهش دهد. بنابراین هنگام خرید چاپگر سه بعدی به کیفیت اسمبل قطعات و حاملها دقت کنید.

حامل های وی-ریل که در برخی پرینترهای سه بعدی خارجی یا ایرانی بکار میروند، معمولا به شکل کیتهایی شامل صفحه، چرخ (پولی) و ابزار اتصال پولی به صفحه هستند که در نهایت روی پروفیل دستگاه مونتاژ میشوند. قطعه صفحه و چرخ این نوع حامل، گزینه های مختلفی دارند که با انواع مختلف وی-ریل سازگار هستند.

این انعطاف پذیری در سیستم وی-ریل امکان استفاده از حامل بزرگ برای بستر چاپ با اندازه بزرگ را فراهم می کند، در حالی که میتوان از حامل های سبک و کوچک برای حرکت اکسترودر استفاده کرد. در مورد چرخ ها نیز انتخاب هایی وجود دارد، چون در چند اندازه و جنس مختلف عرضه می شوند.

مونتاژ حامل های وی‌ریل چاپگر سه بعدی

اسمبل حامل های وی-ریل چندان ساده نیست و دقت بالایی میخواهد؛ معمولا از پیچ برای اتصال چرخ به حامل استفاده می شود و یک اِسپِیسِر یا جداکننده نیز بین آنها قرار می گیرد. با این حال، اپراتور باید حامل را طوری روی ریل سوار کند که حرکت نرم و روان باشد اما تکان اضافی نخورد، یعنی یافتن این تعادل بر عهدۀ تجربه، دقت و مسئولیت پذیری کارگر مونتاژ کننده خواهد بود (پس کیفیت مونتاژ را در هنگام خرید پرینتر سه بعدی با این نوع حاملها در نظر داشته باشید).

جداکنندۀ ناهم‌مرکز همان قطعه ای است که اجازۀ تنظیم نرمی و سفتی حرکت را می دهد؛ چرخش جداکننده، فاصلۀ چرخ تا ریل را تغییر می دهد: یعنی نزدیک کردن چرخها به ریل منجر به حرکتی سخت تر می شود، در حالی دور کردن آنها از ریل برعکس عمل میکند.

محدودیت های حامل های وی-ریل

حامل V ریل، یک سیستم خطی منبع باز شهودی و ساده است، که همین امر درک آن را برای اکثر افراد آسان می کند. ولی برخی کاربران حرفه ای از سیستم وی-ریل و حاملهایش گریزانند، بهمین دلیل باید برخی از محدودیت های آن را هم بیان کنیم:

همانطور که در بالا ذکر کردیم، امکان تنظیم نرمی و سفتی حامل هم مزیت و هم نقص محسوب میشود؛ اگر چاپ برای ساعات زیادی ادامه پیدا کند، ممکن است جداکننده های نا‌هم‌مرکز شروع به چرخش کنند و در نتیجه حامل دچار لرزش شود. به همین دلیل پیش تر گفتیم، سیستم وی-ریل نسبت به ریل واگن خطی نیاز به نگهداری و مراقبت بیشتری دارد. به علاوه، طول عمر چرخ های عمدتا لاستیکی آن هرگز با بلبرینگهای با دوام موجود در دیگر حامل های خطی قابل مقایسه نیست.