3D打印機(jī)軸：基礎(chǔ)知識簡單解釋

魔猴君  知識堂   373天前

雖然笛卡爾坐標(biāo)并不總是被使用，但每臺FDM 3D打印機(jī)都需要某種方法來描述空間中的位置，以便定位和確定噴嘴的位置。同時，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不同類型的機(jī)器使用不同的機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)來操縱熱端和沉積融化的長絲。逐層沉積過程高度依賴于軸的運(yùn)動，這對打印質(zhì)量和速度有直接影響。

通常情況下，橫向運(yùn)動（即左、右、前、后）通常分配給X軸和Y軸，而Z軸則對應(yīng)于垂直運(yùn)動。根據(jù)這一慣例，每一層都在XY平面內(nèi)沉積，而Z軸運(yùn)動則負(fù)責(zé)利用3D切片機(jī)中預(yù)先設(shè)定的高度在層與層之間推進(jìn)。

在本文中，我們將介紹FDM3D打印運(yùn)動的幾個方面，特別是與不同運(yùn)動學(xué)系統(tǒng)和沿軸運(yùn)動有關(guān)的方面。首先，我們將回顧不同類型的3D打印機(jī)及其工作原理。

3D打印機(jī)的類型

FDM3D成型機(jī)可以采用多種配置來實(shí)現(xiàn)噴嘴相對于構(gòu)建平臺的3D運(yùn)動。然而，由于沒有官方的分類系統(tǒng)，在討論各種打印機(jī)樣式時可能會產(chǎn)生混淆。

一、直線型

直線型打印機(jī)是最常見的FDM打印機(jī)，包括許多通用和特定的機(jī)器子類型。"直線"指的是沿每個軸的運(yùn)動（大部分）都是獨(dú)立的線性運(yùn)動，這通常會導(dǎo)致打印機(jī)設(shè)計(jì)成方形或盒形。

遺憾的是，直角打印機(jī)往往容易引起混淆。這是因?yàn)槎嗄陙沓霈F(xiàn)了許多名稱和標(biāo)簽，其中一些具有多重含義，另一些則含義重疊。例如，造成混淆的主要原因之一是"笛卡爾"一詞，它通常不是用來區(qū)分極坐標(biāo)打印機(jī)，而是用來泛指直角坐標(biāo)打印機(jī)，以代替更具體的子類型名稱（如XZ打印頭）。這可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因此最好避免將機(jī)器標(biāo)為"笛卡爾打印機(jī)"，因?yàn)榻^大多數(shù)打印機(jī)都使用笛卡爾坐標(biāo)（包括不是直角坐標(biāo)的delta和SCARA打印機(jī)）。

有鑒于此，以下三節(jié)將討論各種類型的直角坐標(biāo)打印機(jī)，首先討論一些通用類型--XZ打印頭、XY打印頭和交叉式--然后再討論一些更具體的類型--CoreXY、H-bot和皮帶式。

1、XZ頭、XY頭和交叉

Prusa打印機(jī)采用XZ頭運(yùn)動系統(tǒng)（來源：Prusa Research）

大多數(shù)直線打印機(jī)都是XZ打印頭、XY打印頭或交叉式打印機(jī)，這些標(biāo)簽指的是不同的龍門架配置。

這些打印機(jī)的移動部件可能非常重，這意味著在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時突然改變方向可能會造成問題。這個問題與打印機(jī)的抖動設(shè)置有關(guān)，可能導(dǎo)致沉積不準(zhǔn)確，甚至打印失敗。

盡管如此，這些3D打印機(jī)擁有最簡單的運(yùn)動系統(tǒng)，通常用于DIY 3D打印機(jī)項(xiàng)目。請注意，懸臂式打印機(jī)（如Prusa Mini+和Ender 2 Pro）本質(zhì)上是框架不同的XZ頭打印機(jī)。

2、CoreXY&H-Bot

CoreXY打印機(jī)利用相當(dāng)復(fù)雜的同步帶組件進(jìn)行橫向移動（來源：ReP_AL Maker Shop）

CoreXY 3D打印機(jī)使用一種相當(dāng)特殊的運(yùn)動機(jī)制。其XY橫向運(yùn)動由兩個電機(jī)和兩條長定時皮帶驅(qū)動，是一個相當(dāng)復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。垂直運(yùn)動（Z軸）完全由構(gòu)建板向下執(zhí)行。

雖然這些3D打印機(jī)與其他打印機(jī)相比具有眾多優(yōu)勢，但最重要的可能是它們能夠以更高的速度進(jìn)行打印。CoreXY型打印機(jī)的活動部件更少、更輕，因此熱端移動速度更快，打印速度也更快。這是因?yàn)樨?fù)責(zé)XY運(yùn)動的電機(jī)是固定的，并連接到打印機(jī)的機(jī)架上，從而大大減少了振動。

然而，過于依賴長同步帶可能會造成問題，因?yàn)楸仨毷冀K對齊和張緊同步帶。皮帶張力過低會導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，而皮帶張力過高則會增加磨損。劣質(zhì)皮帶也是此類打印機(jī)出現(xiàn)問題的主要原因。

H-bot3D打印成型機(jī)在風(fēng)格上非常相似，經(jīng)常與CoreXY混為一談，但它們在皮帶的配置方式上有所不同。CoreXY使用兩條同步帶，而H-bot打印機(jī)只使用一條，因此在振動和扭矩方面存在一些差異。由于這一條皮帶的張力非常重要，因此需要不斷調(diào)整。此外，皮帶的特定配置已被證明會在打印頭運(yùn)動中產(chǎn)生非理想的拉鋸戰(zhàn)式扭曲。由于這些原因，H型機(jī)器人自問世以來，受歡迎程度有所下降。

3、帶式3D打印機(jī)

帶式3D打印機(jī)以傳送帶的形式展示“無限”Z軸（來源：Polar）

帶式3D打印機(jī)是FDM 3D打印領(lǐng)域最近出現(xiàn)的一種非常獨(dú)特的新技術(shù)。皮帶"指的是構(gòu)建平臺是一條傳送帶。這可能是這些機(jī)器的主要賣點(diǎn)，因?yàn)樗试S用戶創(chuàng)建很長的部件或重復(fù)生產(chǎn)部件，而無需停止打印機(jī)（理論上）。

在大多數(shù)情況下，帶式3D打印機(jī)都是CoreXY或XY頭打印機(jī)，其機(jī)架相對于（帶式）構(gòu)建平臺是傾斜的，這意味著坐標(biāo)系實(shí)際上是傾斜的。因此，帶式打印機(jī)被稱為"無限"Z軸。這樣做的后果是降低了整體打印速度，并且打印可能需要額外的支撐結(jié)構(gòu)（如上圖中紅色的3D Benchys）。

由于缺乏打印床加熱功能，這些打印機(jī)在使用材料方面也受到限制；ABS等材料可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的打印床附著問題。

4、三角洲3D打印機(jī)

與直線打印機(jī)相比，Delta打印機(jī)的運(yùn)動學(xué)并不直觀（來源：Adafruit）

從直線型打印機(jī)發(fā)展而來的三角洲3D打印機(jī)采用了一種相當(dāng)獨(dú)特的運(yùn)動機(jī)制，在業(yè)內(nèi)被稱為"三角洲機(jī)器人"。這些機(jī)器的熱端連接到三個移動臂上，每個移動臂都連接到自己的垂直導(dǎo)軌上。由于所有熱端運(yùn)動都是由所有三個臂同時執(zhí)行的，因此沒有任何一個臂與任何單獨(dú)的軸相對應(yīng)。

雖然三角式打印機(jī)仍被視為笛卡爾式打印機(jī)，但其運(yùn)動學(xué)原理與直角式打印機(jī)相比并不直觀。三角式打印機(jī)的運(yùn)動特性使其可以進(jìn)行非常快速和精確的操作，因?yàn)榇蛴☆^比直線式機(jī)器要輕得多。這減少了噴頭運(yùn)動的慣性，使運(yùn)動速度更快，振動更小。

Delta打印機(jī)具有完全固定的圓形構(gòu)建板，在打印圓形模型時效果很好。此外，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)有利于提高高度，通常用于打印較高的物體。同時，較小的XY尺寸也會造成限制。由于其復(fù)雜性較高，校準(zhǔn)和故障排除也較為困難。

5、SCARA 3D打印機(jī)

SCARA工作正在進(jìn)行中（來源：k0all，來自Reddit）

SCARA是"選擇性順應(yīng)鉸接機(jī)械臂"的縮寫。顧名思義，它使用機(jī)械臂執(zhí)行XY運(yùn)動，而垂直（Z軸）運(yùn)動通常完全由構(gòu)建板完成。

兩個機(jī)械臂均由兩個單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動，它們的耦合運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)熱端在XY平面內(nèi)的定位。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械聯(lián)動系統(tǒng)可使耦合機(jī)械臂到達(dá)整個構(gòu)建臺。Z運(yùn)動通常由單個步進(jìn)電機(jī)完成。

這些打印機(jī)速度很快，但需要高質(zhì)量的活動關(guān)節(jié)才能正常工作。由于其獨(dú)特的配置，SCARA3D成型機(jī)占用的空間也比直線型機(jī)器小。

不過，SCARA可能是市場上最罕見的3D打印機(jī)配置。這意味著要找到備用和升級部件以及適當(dāng)?shù)纳鐓^(qū)支持可能非常困難。

二、直線運(yùn)動系統(tǒng)

現(xiàn)在我們知道，無論打印機(jī)的類型如何，線性運(yùn)動系統(tǒng)都是3D打印機(jī)最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)之一。雖然熱端是在3D空間內(nèi)移動的，但所有運(yùn)動都可以分解為沿三個軸的線性運(yùn)動。

在3D打印機(jī)中，驅(qū)動這種線性運(yùn)動的最常見方式是使用電機(jī)。這些電機(jī)首先將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，然后使用各種機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動。現(xiàn)在讓我們來看看三個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)及其組件，以便更好地了解3D打印機(jī)軸所涉及的線性運(yùn)動。

1、步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)按標(biāo)準(zhǔn)尺寸分類，表明其面板直徑（來源：Mikroe）

步進(jìn)電機(jī)是迄今為止3D打印領(lǐng)域使用最多的驅(qū)動電機(jī)。這些無刷交流電機(jī)以增量（步）為單位旋轉(zhuǎn)，即使沒有位置傳感器反饋，也能精確控制其旋轉(zhuǎn)。由于步進(jìn)電機(jī)不是非常復(fù)雜的機(jī)械裝置，因此價格相對便宜。

步進(jìn)電機(jī)根據(jù)其規(guī)格進(jìn)行識別，其術(shù)語由美國國家電氣制造商協(xié)會（NEMA）標(biāo)準(zhǔn)化。最常用于3D打印的電機(jī)都以該美國協(xié)會的名稱命名，通常稱為"NEMA"，后面的數(shù)字表示其面板的尺寸。例如，常用的NEMA 17的面板直徑為1.7英寸（約43.18毫米）。

對于3D打印來說，步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)扭矩范圍為40至45牛米，這已經(jīng)足夠。這些電機(jī)提供了扭矩和速度之間的折衷方案，使其既適用于大多數(shù)直線型打印機(jī)等較重的設(shè)置，也適用于打印速度較快的CoreXY型打印機(jī)。

2、絲杠

導(dǎo)螺桿是另一種重要的機(jī)械裝置，它是一種專門用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動的機(jī)械部件。雖然有不同種類的導(dǎo)螺桿，但最常見的是梯形（ACME）導(dǎo)螺桿。

這些導(dǎo)桿通過彈性聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，允許軸的末端有一定的移動量，從而避免軸承和電機(jī)本身的應(yīng)力和磨損。這種設(shè)置通常用于3D打印機(jī)沿Z軸的垂直運(yùn)動。

使用導(dǎo)螺桿進(jìn)行線性運(yùn)動的最大優(yōu)勢可能是其強(qiáng)大的推力和自鎖能力，這意味著如果打印機(jī)意外斷電，它們（通常）不會移動。這也是它們常用于移動構(gòu)建平臺的原因之一。不過，X軸或Y軸很少使用導(dǎo)螺桿，主要是因?yàn)樗鼈內(nèi)菀桩a(chǎn)生嚴(yán)重的反向間隙，導(dǎo)致位置不精確，而且速度很慢。

3、正時皮帶

皮帶輪組件主要用于3D打印機(jī)中的X軸和Y軸運(yùn)動（來源：All3DP） 

同步帶是一種"齒形"橡膠帶，在兩個部件（通常是電機(jī)和皮帶輪）之間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。一旦皮帶上安裝了滑塊，就可以實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動，而電機(jī)則負(fù)責(zé)驅(qū)動整個皮帶-滑輪組件。

這些皮帶根據(jù)其齒形進(jìn)行識別。3D打印常用的同步帶使用"Poly Chain GT2"齒形，通常簡稱為"GT2"。電機(jī)皮帶輪必須具有與同步帶相同的齒形，裝配耦合才能正常工作。

在FDM打印機(jī)中，該系統(tǒng)通常用于為X軸和Y軸提供運(yùn)動，因此皮帶的正確張緊至關(guān)重要。這就是為什么許多3D打印機(jī)都內(nèi)置了調(diào)節(jié)皮帶張力的裝置。

編譯整理：ALL3DP