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Les systèmes de rail de guidage linéaire sur les axes des imprimantes 3D

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4 types différents de systèmes de guidage.

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la technologie de l'impression 3D progresse à pas de géant. Un instant, nous discutons de la fabrication de petits jouets pour amuser les enfants, et la seconde suivante, nous apprenons qu'une imprimante 3D a construit un bâtiment en béton capable de résister à un tremblement de terre de magnitude 8. Avec le temps, "imprimer en 3D une imprimante 3D" semble également possible.

Mais si l'on met de côté les perspectives, ce qui intéresse le plus les amateurs et les fabricants, ce sont les imprimantes 3D de bureau : quels sont leurs types, leur vitesse d'impression et leur prix. Si vous aimez aller au fond des choses, ou si vous avez déjà essayé de bricoler une imprimante 3D, vous vous êtes sûrement posé la question suivante : comment se déplacent-elles ?

XYZ, I3 et CoreXY sont actuellement les modèles d'imprimantes 3D de bureau les plus populaires. Voici comment elles se déplacent : la machine possède un ou plusieurs axes dans les directions X, Y et Z du système de coordonnées 3D. L'une des extrémités de chaque axe est équipée d'un moteur qui l'alimente en énergie. Des courroies synchrones ou des vis d'entraînement convertissent ensuite la rotation du moteur en mouvement linéaire dans les directions X, Y et Z. Enfin, grâce aux systèmes de rails de guidage linéaire dans les trois directions, la machine peut positionner la buse en n'importe quel point de l'espace 3D formé par les axes, extruder le filament et créer un objet 3D.

Pourquoi les systèmes de guidage sont-ils importants ?

Les systèmes de guidage servent principalement trois objectifs pendant l'impression :

1. Précision : Réaliser des tolérances serrées, éviter les oscillations et s'assurer que la tête d'impression ou le lit chauffé installé sur les guides se déplace linéairement le long de la direction prédéterminée ;

2. Douceur : Réduire la friction avec les roulements ou les rouleaux et contribuer à un mouvement plus doux ;

3. Fiabilité : Les structures de guidage dotées d'une excellente rigidité peuvent améliorer la fiabilité de la machine et contribuer à des impressions plus régulières au fil du temps.

La variété des systèmes de guidage

En général, les systèmes de guidage utilisés sur les imprimantes 3D sont les suivants :

1. Roues et profils

2. Tiges linéaires et roulements

3. Rails linéaires

4. Rails linéaires encastrés

Roues et profils

Parmi tous les guides, la combinaison de roues et de profilés est probablement la plus courante et la plus rentable. Il y a généralement 3 ou 4 galets qui courent le long de la rainure en V ou en T du profilé pour guider les mouvements.

L'anneau extérieur des roues est le plus souvent en POM (polyformaldéhyde), et l'anneau intérieur est composé d'acier et de roulements à billes. Le POM présente une grande solidité, une faible déformation et une excellente résistance à l'abrasion, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication des roues d'imprimantes. S'ils sont utilisés correctement, les rouleaux en POM peuvent durer des centaines d'heures. Certains fabricants utilisent également le PC (polycarbonate) pour fabriquer des roues, qui sont encore plus résistantes et ont une durée de vie plus longue, mais à un prix légèrement plus élevé.

Pour garantir un mouvement linéaire, les roues doivent adhérer correctement aux profilés. Si elles sont trop lâches, des vibrations peuvent se produire à grande vitesse. Un serrage excessif augmente l'usure - les débris accumulés peuvent s'accumuler entre les roues et les rails, ce qui provoque des mouvements cahoteux ou saccadés. Les utilisateurs doivent donc ajuster le serrage des roues en fonction du fonctionnement de l'imprimante, nettoyer les débris et remplacer les roues si nécessaire. Par rapport à d'autres guides, la combinaison roue/profil nécessite un entretien plus fréquent.

En outre, les plastiques sont moins rigides que les métaux. La déformation des roues pendant le mouvement est difficile à éviter, de sorte que les imprimantes utilisant des roues ont généralement une précision inférieure à celle des imprimantes équipées de guides en acier.

Les profils couramment utilisés sur les imprimantes 3D sont disponibles en deux types : Les profils à rainure en V et les profils à rainure en T. Comme leur nom l'indique, la principale différence entre eux est la forme de la section transversale. Différents profils sont associés à différentes roues pour obtenir de bons effets de guidage.

Comme les profils sont personnalisables, peu coûteux et suffisamment performants, la combinaison de roues et de profils est le meilleur choix pour de nombreuses constructions d'imprimantes 3D.

Avantages

Bonne performance de guidage, bon marché et utile ;

Nombreuses options, largement disponibles ;

Facilité d'installation, d'utilisation et de modification ;

Inconvénients

Moins de précision ;

Plus sujet aux vibrations ;

Nécessite une maintenance plus fréquente.

Tiges et roulements linéaires

Les limites des roues et des guides profilés ont conduit les bricoleurs et les fabricants à s'intéresser davantage à une autre combinaison offrant une précision et une stabilité supérieures : les tiges et les roulements linéaires. Au cours des dernières années, les tiges et les roulements sont devenus presque synonymes de systèmes de guidage pour les imprimantes 3D. Au moins deux tiges et deux roulements sont nécessaires pour chaque axe de l'imprimante. Les roulements s'enroulent ou s'accrochent aux tiges, tout en se connectant aux chariots montés avec une extrudeuse ou un lit chauffant, pour guider le mouvement linéaire.

Une tige linéaire, ou tige lisse, est simplement une tige cylindrique en acier, disponible en différentes tailles - les imprimantes 3D utilisent généralement des tiges de 8 mm de diamètre. Les tiges peuvent être usinées avec une grande précision dimensionnelle et des surfaces très lisses. Associées à des roulements à billes, les tiges correctement assemblées permettent d'obtenir d'assez bons mouvements linéaires.

Et oui, il y a aussi des inconvénients à ce que les tiges soient lisses. Lorsqu'elles sont utilisées pour le guidage, les tiges doivent être fixées aux deux extrémités à l'aide de pinces métalliques. En outre, les roulements peuvent non seulement se déplacer linéairement, mais aussi tourner à 360° autour des cylindres. C'est pourquoi ils doivent être fixés à des roulements sur une autre tige parallèle pour permettre à l'extrudeuse ou au lit chauffé de se déplacer linéairement. Le parallélisme entre deux tiges peut s'avérer difficile, en particulier pour les bricoleurs.

Par conséquent, l'utilisation de guides d'arbre se traduit par une précision et une stabilité accrues d'une part, mais aussi par un encombrement et un poids plus importants, ainsi que par une plus grande difficulté d'assemblage d'autre part.

Les roulements utilisés avec les tiges sont principalement des roulements à gorge en U et des roulements linéaires entièrement en acier. Les paliers à gorge ressemblent à des roues qui peuvent rouler le long des tiges. Les roulements linéaires ont un manchon cylindrique à l'extérieur, avec plusieurs rangées de billes à l'intérieur qui peuvent se déplacer le long de l'arbre. Les deux types de roulements permettent un guidage en douceur avec un minimum de frottement.

Les tiges et les roulements ont une longue durée de vie, ne nécessitant qu'un nettoyage occasionnel des accumulations sur les tiges et une lubrification des roulements. Si les tiges sont enfermées dans un boîtier au lieu de servir de cadre, il est facile de démonter le boîtier et de lubrifier les roulements. Toutefois, le remplacement des roulements usés après une utilisation prolongée peut s'avérer un peu plus délicat.

Les avantages

Excellentes performances de guidage, haute précision, coût modéré ;

Nombreuses options, largement disponibles ;

Faible fréquence de maintenance ;

Inconvénients

Encombrement et poids plus importants lorsqu'il s'agit d'un système fermé ;

Le parallélisme peut poser problème ;

Le remplacement des roulements peut s'avérer délicat.

Rails linéaires

Les rails linéaires, également appelés guides linéaires, sont à la mode depuis quelques années. Le rail en acier comporte une voie de chaque côté, et les glissières qui y sont emboîtées contiennent deux jeux de roulements à billes qui peuvent se déplacer le long des voies. Outre les imprimantes 3D industrielles, de plus en plus de fabricants d'ordinateurs de bureau utilisent également des rails linéaires dans leurs gammes de produits haut de gamme.

Bien qu'ils soient tous deux en acier, les rails linéaires sont moins susceptibles de se plier et de vibrer que les tiges lorsqu'il s'agit de travailler. Cela est principalement dû à leur méthode de montage unique. Les tiges ne sont fixées qu'aux deux extrémités, tandis que les rails linéaires présentent des trous de montage à intervalles réguliers sur la surface, ce qui permet de les fixer solidement au boîtier ou à d'autres structures de support.

Cela garantit un mouvement linéaire stable et améliore la qualité d'impression, d'une part, et augmente la limite de vitesse en évitant les secousses excessives à grande vitesse, d'autre part. C'est l'une des raisons pour lesquelles la J1 peut imprimer à grande vitesse.

Lors de l'assemblage, les rails linéaires peuvent guider un seul axe sans jumelage, ce qui permet d'économiser de l'espace et du poids et de rendre la machine plus légère et plus compacte. Il n'est pas non plus nécessaire de se préoccuper du parallélisme des rails.

Tout cela semble excellent, mais quel est le problème ? Le prix. Des calculs approximatifs montrent que si les glissières des rails linéaires ont un prix similaire à celui des roulements des tiges, les rails eux-mêmes coûtent entre 2,5 et 4 fois le prix d'une paire de tiges de longueur équivalente. En comparaison, les tiges sont bon marché et suffisantes. Si l'on compare le coût supplémentaire aux gains de performance, la plupart des bricoleurs opteront pour des tiges et des roulements.

En ce qui concerne l'entretien, les rails linéaires sont similaires aux premiers, nécessitant une lubrification régulière des roulements. Les rails exposés doivent également être nettoyés de temps en temps.

Les avantages

Très grande précision ;

Prise en charge de l'impression à grande vitesse ;

Faible encombrement, pratique à utiliser ;

Inconvénients

Ne peut pas servir de structure de support, doit être installé sur des profilés, etc ;

Coûteux.

Rails linéaires encastrés

Au lieu d'utiliser directement les guides susmentionnés, certains fabricants, dans le but d'améliorer leurs capacités techniques ou de répondre aux besoins de produits spécifiques, explorent également de meilleures solutions.

Les principaux atouts des rails linéaires résident dans la grande rigidité des rails en acier et dans la précision et la fluidité des mouvements permises par les roulements à billes. Ces avantages sont préservés dans les rails linéaires encastrés.

Lors de la fabrication des modules linéaires, FUYU insère deux bandes d'acier dans les parois internes du boîtier en alliage d'aluminium, puis rectifie l'acier de façon précise pour en faire des rails avec une précision d'usinage de l'ordre du micron. De plus, grâce aux rails encastrés plus larges, la rigidité est encore améliorée sans augmenter le poids, ce qui convient mieux aux opérations CNC de grande puissance - après tout, les imprimantes 3D ordinaires n'ont pas besoin d'une rigidité aussi extrême.

Par rapport au montage direct des rails linéaires sur la surface des extrusions, l'encastrement des rails en acier à l'intérieur des modules linéaires empêche l'accumulation de poussière sur les rails, ce qui réduit la fréquence des opérations de maintenance. Les modules sont également plus légers et plus compacts, de sorte qu'une machine coûteuse ne ressemble pas à un projet de bricoleur. Toutefois, l'encastrement des rails linéaires pose des problèmes de fabrication considérables au producteur, sans avantage de coût par rapport aux rails linéaires normaux.

Les avantages

Identique aux rails linéaires : très haute précision, impression à grande vitesse, faible encombrement ;

Rigidité des rails encore améliorée ;

Réduction de la fréquence de maintenance grâce à l'intégration des rails ;

Inconvénients

Coûteux ;

Ne convient pas aux bricoleurs.