Dlion3D打印開(kāi)源教程第2期----FDM3D打印結(jié)構(gòu)類(lèi)型

作者：二進(jìn)制創(chuàng)客
        各位D客大家好！敬請(qǐng)關(guān)注《Dlion3D打印開(kāi)源教程》。
        目前在淘寶上賣(mài)3D打印機(jī)的商家中，大多數(shù)是FDM3D打印機(jī)，款式多樣讓人眼花繚亂。其實(shí)這些桌面級(jí)3D打印機(jī)，技術(shù)手段基本上是大同小異的。但是作為商家，肯定會(huì)對(duì)自己所賣(mài)的產(chǎn)品有些廣告成分（這個(gè)無(wú)可厚非），作為消費(fèi)者和使用者的我們來(lái)說(shuō)，選擇功能和價(jià)錢(qián)都合適自己的打印機(jī)才是最重要的�；�2000塊錢(qián)DIY一臺(tái)開(kāi)源的或者花20000塊錢(qián)買(mǎi)一臺(tái)現(xiàn)成的CUBE 這個(gè)是個(gè)人選擇。我們不需要在這里爭(zhēng)這個(gè)，我們需要做的是對(duì)各種各樣的打印機(jī)有所了解，知道優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，這樣才可以作出最好的選擇�；�本上開(kāi)源的FDM3D打印機(jī)主要是以結(jié)構(gòu)為區(qū)分，我們先來(lái)了解一下開(kāi)源3D打印機(jī)的發(fā)展史。

開(kāi)源3D打印發(fā)展史
       3d打印機(jī)的結(jié)構(gòu)可以從開(kāi)源打印機(jī)的第一代說(shuō)起reprap1.0 darwin， 如下圖。

reprap1.0 darwin

       看起來(lái)可能挺嚇人，其實(shí)沒(méi)那么復(fù)雜，最外面是個(gè)立方體樣子的框子，中間那一塊木板是打印物體的支撐平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)四個(gè)角都架在螺桿上，摞桿靠皮帶帶通，同步旋轉(zhuǎn)，這樣平臺(tái)就可以保持水平的基礎(chǔ)上升降。 上面那個(gè)是打印頭，可以水平方向做平面運(yùn)動(dòng)，打印頭的水平運(yùn)動(dòng)和平面的升降結(jié)合起來(lái)，最終形成3維的物體。 因此一個(gè)3d打印機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要是有支持這三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
       reprap的打印機(jī)看起來(lái)都挺復(fù)雜，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者的初衷就是想讓機(jī)器能夠復(fù)制自己，因此希望各個(gè)組成部分都可以通過(guò)3d打印得到（僅僅是理想，實(shí)際還差挺遠(yuǎn)）。因此設(shè)計(jì)了光桿框架結(jié)構(gòu)的支撐。從實(shí)用性上來(lái)講，這種框架結(jié)構(gòu)，首先對(duì)裝配調(diào)結(jié)的要求就很高，其次，主要部件包括電路板都外露，像個(gè)半成品。
       因?yàn)榉叫蔚慕Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和調(diào)整困難，所以第二代reprap 改成了三角框架結(jié)構(gòu) ，如下圖：

RepRap_Mendel

    這種框架結(jié)構(gòu)下，打印頭可以在水平一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能在垂直方向運(yùn)動(dòng)，支撐平臺(tái)不需要垂直運(yùn)動(dòng)了，只要在另外一個(gè)水平方向上運(yùn)動(dòng)，組合起來(lái)就能實(shí)現(xiàn)三維的運(yùn)動(dòng)。這里可以看出三維打印機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的原則，把三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分解組合實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)閞eprap的機(jī)器設(shè)計(jì)的不像成品，限制了其使用范圍，reprap團(tuán)隊(duì)的成員參與創(chuàng)辦了另外一家公司，就是目前很火的makerbot。 makerbot 用切割過(guò)的木板做殼體，取代了簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)，做出來(lái)的打印機(jī)有點(diǎn)像商業(yè)產(chǎn)品了，比如makerbot第一代：

makerbot第一代

makerbot后面的版本逐步改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，第二代增大的打印尺寸，提供了自動(dòng)傳輸帶方式的連續(xù)打印，第三代引入了雙打印頭。昨天剛剛推出的第四代，全面更新了軟硬件，引入了金屬框架，并且不再開(kāi)源了。據(jù)說(shuō)，Makerbot的聯(lián)合創(chuàng)始人Zach Smith，2012年5月離開(kāi)自己參與創(chuàng)辦的公司，來(lái)到寨都深圳，來(lái)傳播自己硬件開(kāi)源的理念。

主流桌面3D打印類(lèi)型
目前主流的3D打印機(jī)按照傳動(dòng)方式來(lái)主要分為3種：XYZ型、CoreXY型和delta型。

XYZ型
XYZ型3D打印機(jī)的特點(diǎn)三軸傳動(dòng)互相獨(dú)立：三個(gè)軸分別由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立控制（有些機(jī)器Z軸是兩個(gè)電機(jī),傳動(dòng)同步作用）。開(kāi)源的reprap系列、Ultimaker 、printrbot 還有曾經(jīng)開(kāi)源的Makebot系列機(jī)器，都是采用XYZ型結(jié)構(gòu)。

Reprap

Ultimaker

printrbot

Makebot

總體來(lái)說(shuō)，XYZ結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，獨(dú)立控制的三軸，使得機(jī)器穩(wěn)定性、打印精度和打印速度能維持在比較高的性能。
CoreXY型
       CoreXY結(jié)構(gòu)是由Hbot結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)的。Hbot結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)，速度快，沒(méi)有X軸電機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)，還有就是可以做得更小巧，打印面積占比更高。

Hbot傳動(dòng)示意圖

CoreXY結(jié)構(gòu)還是鮮為人知，采用XY聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)（除了Z軸以外，XY軸都是兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)配合進(jìn)行傳動(dòng)），使得3D打印機(jī)傳動(dòng)效率更高，能設(shè)計(jì)出更加低功耗的3D打印機(jī)。

CoreXY 打印機(jī)

CoreXY 傳動(dòng)示意圖

       兩個(gè)傳送皮帶也很有意思，它們看上去是相交的，其實(shí)是在兩個(gè)平面上，一個(gè)在另外一個(gè)上面。而在X、Y方向移動(dòng)的滑架上則安裝了兩個(gè)步進(jìn)馬達(dá)，使得滑架的移動(dòng)更加精確而穩(wěn)定。

delta型
       delta型也叫并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)最早是由瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）的Reymond Clavel教授在上世紀(jì)80年代發(fā)明的Delta式結(jié)構(gòu)。最早的Delta式并聯(lián)機(jī)械臂主要用來(lái)設(shè)計(jì)一種能以很快速度操作輕小物體的機(jī)器人。Delta式并聯(lián)機(jī)械臂，這是一種通過(guò)一系列互相連接的平行四邊形來(lái)控制目標(biāo)在X、Y、Z軸上的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。近年來(lái)這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，特別是它具有適應(yīng)狹小空間，并能在其中有效工作的能力。1987年瑞Demaurex公司首先購(gòu)買(mǎi)了delta機(jī)器人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)并將其產(chǎn)業(yè)化，主要用于巧克力、餅干、面包等食品包裝，后來(lái)由于硬件和軟件工程的發(fā)展帶來(lái)的技術(shù)和制造成本下降，很多創(chuàng)客在設(shè)計(jì)自己的3D打印機(jī)是借鑒了這種Delta并聯(lián)式機(jī)械臂的特點(diǎn)，于是就出現(xiàn)了如今我們常見(jiàn)的外形接近三角形柱體的Delta式3D打印機(jī)，玩家們稱(chēng)為三角洲打印機(jī)。

delta型打印機(jī)

       在同樣的成本下，采用delta型能設(shè)計(jì)出打印尺寸更高的3D打印機(jī)。三軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)效率更高，速度更快。但是由于delta的坐標(biāo)換算是采用插值的算法，弧線是用很多條小直線進(jìn)行插值模擬逼近的，小線段的數(shù)量直接影響著打印的效果，造成delta的分辨率不足打印精度相對(duì)略有下降。