博文 | 3D 打印機(jī)之多樣的結(jié)構(gòu)

隨著 3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展及廣泛應(yīng)用，中國市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的打印機(jī)，越來越多的人們也開始慢慢了解并嘗試?yán)?3D 打印機(jī)將自己腦海中的想法具現(xiàn)出來。

目前 3D 打印機(jī)主要是以 FDM 和 SLA 這兩種技術(shù)為主， 而 FDM 技術(shù)因成本較低而更加廣泛應(yīng)用。因此市面上大部分是 FDM 打印機(jī)， 3D 打印機(jī)具有多種結(jié)構(gòu)類型，每一種結(jié)構(gòu)都有著各自的特點(diǎn)，今天我們來講解下 3D 打印機(jī)的各種結(jié)構(gòu)類型。

Prusa i3 結(jié)構(gòu)

Prusa i3 是 Reprap 打印機(jī) prusa mendel 的第三代機(jī)型。Reprap 最初是由英國巴斯大學(xué)（the University of Bath) 機(jī)械學(xué)院的 Adrian Bowyer 等人,設(shè)計(jì)制作的一種 3D 打印機(jī)。設(shè)計(jì)者在打印機(jī)公布后就將 reprap 的相關(guān)程序與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向大眾開源，任何愛好者都可以從它的網(wǎng)站上查找到打印機(jī)的相關(guān)的設(shè)計(jì)資料，甚至是程序的源代碼。由于 reprap 的開放性使得它成為了廣大 3D 打印初學(xué)者最容易學(xué)習(xí)的一款機(jī)型之一。通過機(jī)型的升級(jí)演化發(fā)展到現(xiàn)在的 prusa i3，因其簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相對(duì)低廉的成本使 i3 打印機(jī)成為了廣大新手 diy 打印機(jī)愛好者的首選機(jī)型。

i3 最突出的特點(diǎn)就是其簡約的框架結(jié)構(gòu)。整體占地面積小符合桌面機(jī)的要求。裝配零件精度要求不高適合新手組裝。主體為一個(gè)矩形龍門架負(fù)責(zé)打印頭 z 軸與 y 軸方向的移動(dòng)，另一部分為打印平臺(tái)同時(shí)也負(fù)責(zé)著 x 軸方向的移動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上來看由于其打印平臺(tái)需要在 x 軸方向上進(jìn)行移動(dòng)，這就導(dǎo)致了在打印過程中模型會(huì)比較容易脫落，而且也會(huì)影響到它的打印速度。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 結(jié)構(gòu)簡單，易于上手，適合第一次接觸 3D 打印的 diy 愛好者。

2. 開放式設(shè)計(jì)方便升級(jí)硬件或修理維護(hù)。

3. 雙 z 軸電機(jī)設(shè)計(jì)使打印頭移動(dòng)更加穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：

1. 框架結(jié)構(gòu)裝配精度低導(dǎo)致打印精度相對(duì)較低。

2. 打印平臺(tái)沿 y 軸移動(dòng)，增加模型發(fā)生位移的風(fēng)險(xiǎn)。

3. 打印速度較慢。

箱體結(jié)構(gòu)

以 makerbot 和 ultimaker 為代表的箱式結(jié)構(gòu)是目前市面上較為流行的結(jié)構(gòu)，相比較一般 diy 機(jī)型在外觀上看起來更加商業(yè)化。打印機(jī)運(yùn)動(dòng)靠電機(jī)帶動(dòng)同步帶使打印頭沿 xy 軸移動(dòng)，與 i3 結(jié)構(gòu)不同的是打印平臺(tái)只需要通過絲杠電機(jī)沿 z 軸上下移動(dòng)。也正因打印頭能夠沿 xy 軸移動(dòng)，使得打印空間能夠得到最大的利用。因此需要打印大型模型的工業(yè)級(jí) 3d 打印機(jī)都會(huì)選擇這種結(jié)構(gòu)。箱體的相對(duì)封閉的打印空間使得一些主打 ABS 耗材的 3D 打印機(jī)為了隔絕異味也會(huì)選擇這種結(jié)構(gòu)。這同時(shí)也給了外觀設(shè)計(jì)留出了更大的發(fā)揮空間。

箱體結(jié)構(gòu)根據(jù)打印頭的運(yùn)動(dòng)又有幾個(gè)分支。

Ultimaker：打印頭十字交叉光桿的固定方式使得打印更加穩(wěn)定，也間接提升了打印的精度與速度。

Makerbot：由兩個(gè)電機(jī)通過同步帶分別控制打印頭的兩個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)。與 Ultimaker 不同的是打印頭運(yùn)動(dòng)的光軸是不交叉的。

Hbot：目前剛開始流行的電機(jī)同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，和 um 與 mb 的單個(gè)電機(jī)控制單個(gè)方向不同，它的主要運(yùn)轉(zhuǎn)方式是通過 xy 電機(jī)的協(xié)同運(yùn)作讓打印頭在各個(gè)方向上進(jìn)行移動(dòng)。由于其電機(jī)同步帶的纏繞形狀為 H 型，Hbot 也因此而得名。

Corexy：由 Hbot 改進(jìn)而來的一種結(jié)構(gòu)也是使用 xy 電機(jī)協(xié)同運(yùn)作。不同之處在于 Corexy 具有多種同步帶的纏繞方式。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 成型精度高。

2. 打印速度快。

3. 電路板與電源等電子部件可隱藏至機(jī)體內(nèi)，空間利用率高。

缺點(diǎn)：

1. 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易裝配，維修麻煩。

2. 零件精度要求高，整機(jī)成本較高。

Delta三角洲機(jī)型

目前市場(chǎng)上很常見的一種結(jié)構(gòu)，專業(yè)名稱為并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最早是用于能夠快速準(zhǔn)確抓取輕小型物體的機(jī)器雕爪而設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在為使用這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人稱之為并聯(lián)機(jī)器人。這種結(jié)構(gòu)興起于 90 年代，因其速度快、精度高、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使并聯(lián)機(jī)器人成為了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人重要部分。

并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用于 3D 打印機(jī)上就變成了我們常說的三角洲或 Delta 機(jī)型。以三角洲機(jī)型的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以分成兩種，一種是目前市場(chǎng)上最多采用的 Rostock 和 kossel 打印機(jī)為代表的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一種是并聯(lián)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)前者跟偏向?qū)嶋H應(yīng)用，后者的研究偏向理論數(shù)據(jù)分析。我們今天主要談?wù)摰木褪?Rostock/kossel 機(jī)型。

三角洲機(jī)型相比較其他結(jié)構(gòu)的機(jī)型占地面積更小，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單。在模型的尺寸大小上三角洲可以打印出更高尺寸的模型來。由于其結(jié)構(gòu)的關(guān)系打印速度更快傳動(dòng)效率更高。三角洲的劣勢(shì)與優(yōu)勢(shì)同樣也是因?yàn)樗牟⒙?lián)臂結(jié)構(gòu)。雖然三角洲的占地面積較小，但是由于打印機(jī)需要給 3 個(gè)并聯(lián)臂留出移動(dòng)空間，這就直接限制了打印機(jī)在空間上的利用。除此之外由于其坐標(biāo)定位采用的是一種特殊的差值算法，對(duì)于一些弧形結(jié)構(gòu)只能采用多個(gè)直線段逼近的方式，導(dǎo)致其打印精度稍有不足。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 結(jié)構(gòu)簡單，方便修理維護(hù)。

2. 打印速度快，傳動(dòng)效率高。

3. 占地面積小。

缺點(diǎn)：

1. 打印機(jī)空間利用率低。

2. 由于其打印平臺(tái)是固定的，所以打印機(jī)的調(diào)平調(diào)試較為復(fù)雜，不適合新手。

其他機(jī)型：

Printbot

Printbot 同樣也是分支自 Reprap 打印機(jī)，在結(jié)構(gòu)上和 prusa i3 很相似只是少了一個(gè) z 軸的支架。Printbot 號(hào)稱是全世界最簡單最便宜的打印機(jī)。它的設(shè)計(jì)初衷就是成為一臺(tái)讓孩子都能動(dòng)手組裝、修理的 3D 打印機(jī)，同時(shí)能夠以更少的價(jià)錢讓更多的學(xué)生接觸到 3D 打印機(jī)。所以它最大的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)非常簡單。在價(jià)格方面也比市場(chǎng)上主流的 Makerbot 和 Ultimaker 便宜不少。不過它的缺點(diǎn)也比較突出，打印模型尺寸較小，作為教學(xué)機(jī)打印的精度也一般。但是對(duì)于剛接觸 3D 打印的 diy 愛好者來說還是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

機(jī)械臂3D打印機(jī)

根據(jù)傳統(tǒng)的多軸機(jī)械臂改裝或設(shè)計(jì)而來的 3d 打印機(jī)。除了 3D 打印之外這種機(jī)械臂一般還帶有激光雕刻、物體抓取等其他功能。國產(chǎn)的 Dobot 就是這類支持 3D 打印的機(jī)械臂非常典型的代表。

本次 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)就給大家介紹到這，預(yù)知更多 3D 打印相關(guān)知識(shí)，歡迎關(guān)注大大通“一條胖頭魚”~