در طراحی سیستم انتقال نیرو برای چاپگر سه بعدی، عمدتا دو روش وجود دارد که اجزا بر روی آنها سوار میشوند؛ 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 بوده و جایگزین ضعیفتر «ریل واگن» می‌باشد که در مبحثی جداگانه معرفی شده‌اند؛ پس ما در این مطلب 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 (کالسکه) 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 مستقیم بودن 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 آلومینیوم ساخته میشود.
سیستم حرکتی ریل واگن (ریل خطی) در چاپگر سه بعدی؛ چرا واقعا بهتر است؟
گفته می شود که چاپگرهای سه بعدی ریل خطی (ریل-واگنی) حرکات صاف و دقیق تری را ارائه می دهند. سیستم حرکتی ریل واگن که به آنها راهنمای حرکت خطی یا لغزش خطی (Linear Rail) نیز گفته می شود، استاندارد محور رایجی هستند که برای دستیابی به حرکات لغزشی صاف استفاده می شوند. آنها را می توان در چاپگرهای سه بعدی، برشگر CNC، برشگر واترجت و موارد مشابه یافت.
یک ریل خطی از یک ریل فولادی سفت تشکیل شده است که در امتداد آن یک کالسکه (واگن یا حامل) می لغزد. معمولاً کالسکه حاوی بلبرینگهای چرخشی (ساچمه) است که نقاط تماس بین واگن و ریل را فراهم می کند (حرکت لغزشی صاف در حین چرخش ساچمه‌ها بین سطوح). شکل محور، کالسکه را قادر می سازد تا با تلورانسهای محکم قفل شود و حرکت را به جهات کاملاً خطی محدود کند.
چاپگرهای سه بعدی با سیستم حرکتی ریل واگن از مزایای متعدد این ریل های خطی برای دستیابی به دقیقترین و بهترین استاندارد حرکت استفاده می کنند.
مزایای ریل واگن برای پرینتر سه بعدی
اکثر پرینترهای سه بعدی از میله های خطی فولادی سخت شده استفاده می کنند که بصورت پشت سر هم با بلبرینگهای خطی استفاده می شود. این ترکیب برای هزاران چاپگر و کاربر حرفهای بخوبی کار کرده است، بنابراین ریل های خطی چه چیزی در چنته دارند؟
- ریل – واگن (خطی) سفت‌تر هستند. به دلیل عواملی مانند شکل و سختی فلز، ریلهای خطی بطور قابل توجهی کمتر از میله‌های خطی خم می شوند. متقاعد نشدید؟ سعی کنید یکی را خودتان خم کنید، سپس آن را با یک میله خطی معمولی مقایسه کنید. از نظر پرینت سه بعدی، این حد استحکام منجر به کاهش عکس‌العمل منفی و خطای سطح زبر قطعه میشود (سطوح و لبه‌های چاپ تمیزتر را در قطعه پرینتی بهمراه دارد). همچنین حامل ریل خطی در حالت عادی، ثابت و محکم سرجای خود بوده و فقط با فرمان موتور استپر حرکت دقیق و روان خود را انجام میدهد.
- با خیال راحت، به یک ریل خطی بسنده کنید. برخلاف میله های خطی، ریلهای خطی امکان چرخش (لقی یا انحراف) کالسکه را ندارند: بنابراین هنگام راه‌اندازی این سیستم حرکتی، یک ریل هم میتواند به تنهایی به حرکت کاملاً خطی دست یابد، “همانطور که در عکس بالا نشان داده شده است”. ولی در مورد میله های خطی، معمولا دو مورد برای جلوگیری از چرخش یا لقی لازم است که منجر به چالش تراز مناسب و ملاحظات وزن می شود. استفاده از ریل خطی میتواند مونتاژ ساده‌تر، سبک‌تر و چابک‌تری ایجاد کند که همچنین سطح رگه رگه پرینت سه بعدی را کاهش میدهد.
- دقت بالاتر، حرکت نرم‌تر. سیستم ریل-واگن معمولاً با تلرانسهای بسیار محکم تر از میله های خطی ساخته می شوند. این دقت بالاتر به کاهش بازی و اتصال با ثبات ختم میشود (مثلا زمانی که یاتاقان‌ها می‌گیرند و به آرامی غلت نمی‌خورند). پس حرکت نرم‌تر و یکنواخت‌تری را بهمراه دارد.
- نصب ریلهای خطی معمولا آسان‌تر و دقیق‌تر راحت تر از میله خطی است. ریلها و واگن هر دو دارای سوراخ های نصب منظم هستند، بنابراین چند پیچ همه چیز را قفل میکند. برعکس میله‌ها و یاتاقان‌های استاندارد قدیمی‌تر خطی که شکل‌های گرد آنها نیازمند راه‌حل‌های نصب خلاقانه‌تر و اغلب چالشی‌تر روی بدنه یا فریم چاپگرهای سه بعدی است.
ملاحظات ریل واگن در چاپگر سه بعدی:
خب البته که هیچ چیز کامل نیست. در ادامه برخی نکات مهمی که هنگام نصب سیستم ریل واگن باید در نظر بگیرید را شرح میدهیم:
- ریل واگن خطی گران است. هر ریل خطی مناسب معمولا چندین برابر بیشتر از یک ترکیب قابل مقایسه از میله خطی و بلبرینگ هزینه خواهد داشت. برای دقت ممتاز، سختی، و حرکت صاف باید هزینه بیشتری بپردازید.
- ریل های خطی باید توسط کارگر ماهر مونتاژ شوند. مثلا برخلاف یاتاقان‌های خطی گرد، بلبرینگ‌ها در واگن‌های ریلی خطی معمولاً درپوش و قفل نمی‌شوند. اگر حامل به‌طور تصادفی از ریل بیفتد، ممکن است برخی از بلبرینگ‌ها بیرون بزنند و منجر به حرکت ناهماهنگ شوند.
- نیازمند فرایند تمیزکاری دوره ای. مانند هر نوع استاندارد محور حرکتی، ساختار ریل واگن نیز باید با مواد تمیزکننده سازگار گردگیری و روان شوند (معمولا پاک‌کننده‌های غیرچرب تا از جذب گرد و غبار یا خشک شدن روغن روی بخش حرکتی جلوگیری شود مثلا اسپری چرب تمیزکاری ناهید رنگ آبی)
بطور کلی، اگر مایلید مقدار پول بیشتری خرج کنید و تمایل به حرکت صاف و دقیق دارید، خرید یک چاپگر سه بعدی با سیستم حرکتی ریل واگن خطی ایده خوبیست. متأسفانه، به دلیل هزینه آنها، چاپگرهای تجاری زیادی با ریل های خطی یکپارچه وجود ندارد. اکثر ماشین‌ها از غلتک‌های شکاف V استفاده می‌کنند که بطور قابل توجهی ارزانتر هستند.
معمولا چاپگرهای سه بعدی زیادی با ریل خطی وجود ندارد، همچنین تعداد انگشت شماری از پروژه های چاپگر سه بعدی DIY (کیت مونتاژی) از آنها استفاده می کنند (بعلت هزینه و مهارت مونتاژ). البته، شما خودتان میتوانید این پرینترهای سه بعدی را بسازید؛ اگر سازنده باتجربه ای هستید و برای این چالش هیجان انگیز آماده هستید. چند برند محبوب چاپگر سه بعدی در این زمینه عبارتند از
Voron (2.4 – Switchwire) و BLV mgn12 که هر دو منبع باز هستند و از ریل های خطی حداقل در یک محور استفاده می‌کنند.
Tiertime، تولید کننده و تامین‌کننده قطعات پرینترهای FDM رومیزی و حرفه ای، دارای چند ماشین با ریلهای خطی است؛ مانند Cetus MK3 – UP Mini 2 – Cetus2 از ریل واگن بهره برده است. برند Atom در محصول Atom 3.5 دارای ریلهای خطی است (البته یک چاپگر به سبک دلتا است نه دکارتی). برخی از نمونه‌های محبوب چاپگر با ریل خطی عبارتند از Prusa XL – Markforged Mark Two و E3D Toolchanger.
در نهایت، اگر قبلاً یک 3DPrinter دارید اما همچنان می خواهید از مزایای ریل های خطی استفاده کنید، شاید بتوانید یک دستگاه موجود را با این سیستم حرکتی ارتقا دهید. برای چاپگرهای کیت مونتاژی، مانند Ender 3، کافیست کیت‌های ریل خطی را خریداری کنید که همه چیزهایی را که برای نصب نیازمندید را بهمراه دارد و برای نصب، یک راهنمای آنلاین را دنبال کنید. از طرف دیگر، اگر کیت در دسترس نیست، میتوانید تمام سخت‌افزار را بصورت جداگانه خریداری کنید و از پایه و گیره پرینت شونده برای نصب ارتقاء استفاده کنید.
یک چاپگر سه بعدی حرفهای که برای ساخت قطعات پروتوتایپ صنعتی استفاده میشود، الزاما باید از شاسی تمام فلزی و محور حرکتی دقیق ریل واگن بال اسکرو بهره‌مند باشد. تنها در این استاندارد است که میتوانید دقت پرینت مناسب، ابعاد ساخت بزرگ و چاپ طولانی را داشته باشید. شرکت «توسعه گران بعد سوم | 3DPE» از برترین سازندگان پرینترهای سه بعدی صنعتی با استاندارد ریل واگن (ریل خطی) در کشور است که به مشهورترین سازمانهای دولتی و خصوصی ایران، این سری محصولات صنعتی را عرضه کرده است. شما هم میتوانید به این جمع بزرگ بپیوندید.
نتیجه گیری:
چاپگرهای سه بعدی ریل واگنی حرفهای زیادی برای گفتن دارند. آیا آنها واقعا بهتر هستند؟
از دیدگاه عملکرد خاص، بله، ریلهای خطی برتر هستند. آنها دقت بیشتر، نصب بهتر و حرکت نرم تر را ارائه می دهند؛ کیفیت چاپ و قابلیت اطمینان 3DPrinter را بهبود می بخشند. مثلا همانطور که Cetus و Prusa دو برند سازنده چاپگر سه بعدی نشان داده‌اند، انتخاب استاندارد ریل واگن با ترکیب طراحی خوب سبب کاهش وزن و هزینه ساخت در دستگاههایش شده است: cetus3d.com .
با این حال، در حالت عادی همچنان یک نکته مهم وجود دارد: قیمت ریل خطی. سازندگان پرینتر سه بعدی ارزانقیمت همیشه تمایل به استفاده از میله و بلبرینگ خطی سنتی دارند چون با کسری زیادی از هزینه ساخت دستگاه، سود بیشتری به فروشنده میدهد (هزینه مونتاژ و مهارت مورد نیاز ریل های خطی برای این سازندگان دشوار است). پس اگر بودجه کمی دارید؛ توقع نداشته باشید به بهترین عملکرد ممکن در چاپگر سه بعدی خریداری شده دست خواهید یافت.
بنابراین، ما اینطور این بخش را تمام میکنیم: سیستم حرکتی ریل واگن بهتر است فقط برای همه افراد و کاربردهای عمومی مناسب نیست.
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 (البته نه با همان کیفیت).
انواع مختلفی از اکستروژن آلومینیوم وجود دارد که برای حرکت خطی مناسب هستند. اکثر این پروفیلها نوعی هندسۀ V دارند که مسیری برای حرکت چرخها ایجاد می کند. از این هندسۀ V در نام این کلاس شاسی 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 بعنوان 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 استاندارد (که در بخش اول مقاله توضیح دادیم) دقت کمتری داشته و نیاز به تعمیرات و سرویسکاری دوره ای بیشتر 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 عاقلانه‌تر و به صرفه‌تر خواهد بود؛ با وجود اینکه سیستم ریل خطی گرانتر است ولی بسیار بادوام بوده، قطعات آکبند کارخانه‌ای دارد، عمدتا به سرویسکاری دوره ای خاصی نیازی ندارد، حرکت نرم و دقیقی ایجاد میکند.
تاثیر کیفیت حامل 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.
حاملهای 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، درحالیکه میتوان از حاملهای سبک و کوچک برای حرکت اکسترودر استفاده کرد. در مورد چرخها نیز انتخابهایی وجود دارد، چون در چند اندازه و جنس مختلف عرضه میشوند.
مونتاژ حامل های وی‌ریل چاپگر سه بعدی
اسمبل حاملهای وی-ریل چندان ساده نیست و دقت بالایی میخواهد؛ معمولا از پیچ برای اتصال چرخ به حامل استفاده میشود 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 چرخهای عمدتا لاستیکی آن هرگز با بلبرینگهای با دوام موجود در حامل های خطی صنعتی قابل مقایسه نیست.
مثالی از قطعات ریل واگن خطی و حامل V-rail پرینتر سه بعدی
محصولات زیر را به عنوان نمونه آورده ایم. محصولات و قطعات مشابه در اینترنت قابل بررسی هستند.
ریل واگن
ریل واگن با کیفیت بالا و حرکت دقیق آزادانه بسمت جلو و عقب - برند TBI
پروفیل آلمینیوم شیاردار
پروفیل صنعتی در حالتهای دیواره باز یا بسته بفروش میرسد - ساخت ایران یا وارداتی - مناسب برای محور حرکتی خطی یا حاملهای وی ریل - جلوگیری از زنگ‌زدگی، مقاومت و دوام بالا، پشتیبانی از حرکت خطی که موجب شده بتوان به سادگی در ساخت پرینترهای سه بعدی ، دستگاه‌های CNC و غیره از این محصول بهره برد
چرخ حامل V rail
چرخ برای مونتاژ وی-ریل ساخت OpenBuilds
ریل واگن
Misumi تولیدکننده ای با اندازه های متنوع ریل واگن
جداکننده نا هم مرکز
پیچ اسپیسر برای تنظیم شدت حرکت چرخهای حامل وی ریل
