博文 | 3D 打印机之多样的结构

 

随着 3D 打印技术的不断发展及广泛应用，中国市场上出现了大量的打印机，越来越多的人们也开始慢慢了解并尝试利用 3D 打印机将自己脑海中的想法具现出来。

 

目前 3D 打印机主要是以 FDM 和 SLA 这两种技术为主， 而 FDM 技术因成本较低而更加广泛应用。因此市面上大部分是 FDM 打印机， 3D 打印机具有多种结构类型，每一种结构都有着各自的特点，今天我们来讲解下 3D 打印机的各种结构类型。

 

Prusa i3 结构

Prusa i3 是 Reprap 打印机 prusa mendel 的第三代机型。Reprap 最初是由英国巴斯大学（the University of Bath) 机械学院的 Adrian Bowyer 等人,设计制作的一种 3D 打印机。设计者在打印机公布后就将 reprap 的相关程序与结构设计向大众开源，任何爱好者都可以从它的网站上查找到打印机的相关的设计资料，甚至是程序的源代码。由于 reprap 的开放性使得它成为了广大 3D 打印初学者最容易学习的一款机型之一。通过机型的升级演化发展到现在的 prusa i3，因其简单的结构设计与相对低廉的成本使 i3 打印机成为了广大新手 diy 打印机爱好者的首选机型。
 

 

 i3 最突出的特点就是其简约的框架结构。整体占地面积小符合桌面机的要求。装配零件精度要求不高适合新手组装。主体为一个矩形龙门架负责打印头 z 轴与 y 轴方向的移动，另一部分为打印平台同时也负责着 x 轴方向的移动。从结构上来看由于其打印平台需要在 x 轴方向上进行移动，这就导致了在打印过程中模型会比较容易脱落，而且也会影响到它的打印速度。

 

优点：
 

1. 结构简单，易于上手，适合第一次接触 3D 打印的 diy 爱好者。
 

2. 开放式设计方便升级硬件或修理维护。
 

3. 双 z 轴电机设计使打印头移动更加稳定。
 

 

缺点：
 

1. 框架结构装配精度低导致打印精度相对较低。
 

2. 打印平台沿 y 轴移动，增加模型发生位移的风险。
 

3. 打印速度较慢。  

 

箱体结构

以 makerbot 和 ultimaker 为代表的箱式结构是目前市面上较为流行的结构，相比较一般 diy 机型在外观上看起来更加商业化。打印机运动靠电机带动同步带使打印头沿 xy 轴移动，与 i3 结构不同的是打印平台只需要通过丝杠电机沿 z 轴上下移动。也正因打印头能够沿 xy 轴移动，使得打印空间能够得到最大的利用。因此需要打印大型模型的工业级 3d 打印机都会选择这种结构。箱体的相对封闭的打印空间使得一些主打 ABS 耗材的 3D 打印机为了隔绝异味也会选择这种结构。这同时也给了外观设计留出了更大的发挥空间。
 

 

 

箱体结构根据打印头的运动又有几个分支。

Ultimaker：打印头十字交叉光杆的固定方式使得打印更加稳定，也间接提升了打印的精度与速度。
 

 

Makerbot：由两个电机通过同步带分别控制打印头的两个轴向的运动。与 Ultimaker 不同的是打印头运动的光轴是不交叉的。
 

 

 

Hbot：目前刚开始流行的电机同步带传动结构，和 um 与 mb 的单个电机控制单个方向不同，它的主要运转方式是通过 xy 电机的协同运作让打印头在各个方向上进行移动。由于其电机同步带的缠绕形状为 H 型，Hbot 也因此而得名。
 

 

 

Corexy：由 Hbot 改进而来的一种结构也是使用 xy 电机协同运作。不同之处在于 Corexy 具有多种同步带的缠绕方式。
 

 

优点：
 

1. 成型精度高。
 

2. 打印速度快。
 

3. 电路板与电源等电子部件可隐藏至机体内，空间利用率高。
 

 

缺点：
 

1. 结构较为复杂，不易装配，维修麻烦。
 

2. 零件精度要求高，整机成本较高。
 

 

Delta三角洲机型

目前市场上很常见的一种结构，专业名称为并联臂结构。这种结构最早是用于能够快速准确抓取轻小型物体的机器雕爪而设计的。现在为使用这种结构的机器人称之为并联机器人。这种结构兴起于 90 年代，因其速度快、精度高、柔性强等优点使并联机器人成为了现代工业机器人重要部分。
 

 

并联臂结构应用于 3D 打印机上就变成了我们常说的三角洲或 Delta 机型。以三角洲机型的运动结构可以分成两种，一种是目前市场上最多采用的 Rostock 和 kossel 打印机为代表的运动机构，另一种是并联机械手臂结构。两种结构前者跟偏向实际应用，后者的研究偏向理论数据分析。我们今天主要谈论的就是 Rostock/kossel 机型。
 

 

三角洲机型相比较其他结构的机型占地面积更小，结构也相对简单。在模型的尺寸大小上三角洲可以打印出更高尺寸的模型来。由于其结构的关系打印速度更快传动效率更高。三角洲的劣势与优势同样也是因为他的并联臂结构。虽然三角洲的占地面积较小，但是由于打印机需要给 3 个并联臂留出移动空间，这就直接限制了打印机在空间上的利用。除此之外由于其坐标定位采用的是一种特殊的差值算法，对于一些弧形结构只能采用多个直线段逼近的方式，导致其打印精度稍有不足。

 

优点：
 

1. 结构简单，方便修理维护。
 

2. 打印速度快，传动效率高。
 

3. 占地面积小。
 

 

缺点：
 

1. 打印机空间利用率低。
 

2. 由于其打印平台是固定的，所以打印机的调平调试较为复杂，不适合新手。
 

 

其他机型：
 

Printbot
 

Printbot 同样也是分支自 Reprap 打印机，在结构上和 prusa i3 很相似只是少了一个 z 轴的支架。Printbot 号称是全世界最简单最便宜的打印机。它的设计初衷就是成为一台让孩子都能动手组装、修理的 3D 打印机，同时能够以更少的价钱让更多的学生接触到 3D 打印机。所以它最大的特点就是结构非常简单。在价格方面也比市场上主流的 Makerbot 和 Ultimaker 便宜不少。不过它的缺点也比较突出，打印模型尺寸较小，作为教学机打印的精度也一般。但是对于刚接触 3D 打印的 diy 爱好者来说还是个不错的选择。

 

机械臂3D打印机

根据传统的多轴机械臂改装或设计而来的 3d 打印机。除了 3D 打印之外这种机械臂一般还带有激光雕刻、物体抓取等其他功能。国产的 Dobot 就是这类支持 3D 打印的机械臂非常典型的代表。

 

 

本次 3D 打印机的结构就给大家介绍到这，预知更多 3D 打印相关知识，欢迎关注大大通“一条胖头鱼”~