Рельсы или валы

Проектирование системы линейного движения — ответственный этап конструирования машин в том числе и 3D принтера. Ошибочный выбор может привести к снижению производительности, неудачным структурным и конструктивным решениям или использованию более затратных негабаритных элементов. У конструкторов имеется два основных варианта решения проблемы — использование линейных валов или рельсовых направляющих. Оценка целесообразности того или иного технического решения осуществляется по определенным критериям.

Линейные валы и линейные подшипники

Самый распространенный и бюджетный вид направляющих. Отличается высокой доступностью, легкостью обработки и установки. Полированные валы изготавливаются из высоколегированных сталей, как правило - конструкционных подшипниковых, и проходят индукционную закалку поверхности с последующей шлифовкой. Валы имеют заводскую индукционную закалку, что обеспечивает продолжительное время работы и сопутствует меньшему износу вала. Шлифованные валы имеют идеальную поверхность и обеспечивают движение с очень маленьким трением. Валы крепятся только в 2 точках на концах и поэтому монтаж их не представляет особой сложности. Однако, многие недобросовестные производители часто делают валы из дешевых и мягких сортов высокоуглеродистых сталей, пользуясь тем, что покупатель не всегда обладает средствами для проверки вида материала и его твердости. К недостаткам полированных валов относятся:

Отсутствие крепления к станине - Вал крепится в двух точках на концах - это облегчает монтаж направляющих, однако приводит к тому, что направляющие установлены независимо от рабочей поверхности стола 3D принтера. В то время в портальных станках крайне желательно ставить направляющие в жесткой связке со столом (такая связь снижает погрешности обработки, если рабочий стол подверглась искривлению - направляющие, повторяя изгибы стола, нивелируют часть погрешности).
Провисание на большой длине - На практике из-за провисания валы используют длиной не более 1 метра. Кроме того, важно отношение диаметра вала к его длине - для получения приемлемых результатов его значение должно быть не менее 0.05, желательно в пределах 0.06-0.1. Более точные данные можно получить, произведя моделирование нагрузки на вал в пакетах САПР.
Линейные подшипники - Как правило имеют сравнительно большие люфты по сравнению с каретками рельсовых направляющих и меньшие нагрузочные характеристики. Помимо этого для защиты от поворота каретки необходимо использовать как минимум два направляющих вала на одну ось. Недостатки линейных подшипников качения:
Низкая грузоподъемность -Cледствие предыдущего пункта, а также конструктивного строения линейных подшипников.
Недолговечность - Каждый шарик линейного подшипника касается вала в одной точке, что создает очень высокое давление. Со временем шарики могут прокатать канавку на валу, после чего вал подлежит замене.
Люфт - Бюджетные линейные подшипники многими производителями изготавливаются зачастую с весьма существенным люфтом.
Чувствительность к загрязнению - износ валов в виде канавок и пыль которая забивается между шариком и валов могут служить заклиниванию шариков
Основной недостаток валов заключается в том, что они крепятся к станине только в двух точках на концах. По этому валы плохо воспринимают поперечные нагрузки и, грубо говоря, легко гнутся и вибрируют под воздействием статических и динамических сил, возникающих в кинематике 3D принтера. При увеличении скорости печати, а значит и при увеличении динамических нагрузок, это ведёт к неточному позиционированию печатающей головки, а значит и к ухудшению качества печати. В первую очередь, это набл.дается в виде смазывания острых углов модели.

Рельсовые направляющие

Профильные рельсовые направляющие используются там, где требуется высокая точность. Также как и цилиндрические, профильные рельсы крепятся непосредственно на станину станка. В профильных рельсах сделаны специальные дорожки качения, в результате нагрузка на каретку распределяется по рабочей поверхности дорожек качения равномерно - профиль касания шарик-рельс уже не точка, а дуга. Профильные рельсы отличаются высокой точностью и прямолинейностью, высокой грузоподъемностью, высокой износоустойчивостью, низким люфтом или полным его отсутствием. Недостатком профильных направляющих является высокие требования к шероховатости и прямолинейности места крепления, а также сложность установки. Как правило, рельсы и каретки выпускаются в нескольких вариантах - с преднатягом и грузоподъемностью разной степени. Классическим примером могут служить рельсовые направляющие Hiwin и THK. Профильные рельсы сложны и дороги в производстве, поэтому производителей рельсов меньше, чем производителей валов, и они(как правило) дорожат своей репутацией, качество профильных рельсов гораздо стабильней.
Основное преимущество рельсов в том, что они крепятся к станине в нескольких точках на всём своём протяжении, а значит они не изгибаются под нагрузками, не вибрируют и даже в середине по длине передают нагрузки на станину. И остальные характеристики рельсов состоят из одних достоинств. Единственный и самый сильный недостаток - высокая цена.
Линейные направляющие — не всегда идеальное решение для той или иной машины и не лишены определенных недостатков. Однако, несмотря на это, использование системы линейного перемещения при конструировании технологических машин позволяет получить ряд преимуществ:

Точное позиционирование - динамический и статический коэффициенты трения имеют небольшую разницу, поэтому при движении проскальзывание отсутствует.
Долговечность - повышенный износ рабочих поверхностей негативно отражается на точности. В рельсовых направляющих применяется способ смазки, который увеличивает срок эксплуатации оборудования и обеспечивает высокую точность.
Высокая скорость перемещения - низкие показатели фрикционного сопротивления обеспечивают высокоскоростное движение при незначительных тяговых усилиях.
Одинаковая грузоподъемность во всех направлениях - система способна выдерживать нагрузки, действующие как в горизонтальном, так и в  вертикальном направлении.
Простота монтажа - для обеспечения высокоскоростного линейного перемещения требуется подготовить поверхность и закрепить болтами в горизонтальной плоскости.
Простота доставки смазки - система смазки позволяет обеспечить непрерывную и точную подачу смазочного материала на контактные поверхности.
Взаимозаменяемость - при выходе из строя элементы системы быстро заменяются на новые. В случае использования несъемных конструкций обеспечивается высокая точность настройки, которая выполняется на заводе-производителе.

Сравнение линейных валов и рельсовых направляющих

Изобретение системы линейных направляющих относится к 1940-м годам. Тогда она практически повсеместно начала использоваться в промышленности. Однако жесткость конструкции ограничивает ее применение в области прецизионного станкостроения.
Для достижения требуемой точности и грузоподъемности взамен линейных валов в 1970-х годах начали использовать рельсовые направляющие. Это альтернативное решение позволило снизить стоимость, повысить жесткость конструкции и при этом сделать узел более компактным.
С внедрением рельсовых направляющих у конструкторов возникла проблема выбора той или иной системы линейного передвижения. Сложность принятия решения связана с тем, что линейные валы могут быть заменены рельсовыми направляющими даже там, где использовался исключительно первый вариант. Для оценки применения круглых валов или профилированных рельс существует ряд критериев, которые помогают определиться с выбором.

Итог

Использование рельсовых направляющих дает выигрыш по показателям нагрузки, жесткости, точности и скорости перемещения. Установка круглых валов позволяет снизить стоимость машины и обеспечивает ее бесперебойную работу в тяжелых условиях. При конструировании следует объективно оценить все факторы и преимущества систем линейного перемещения, чтобы принятое техническое решение было наиболее оптимальным в каждом конкретном случае.