3D打印機軸：基礎知識簡單解釋

魔猴君  知識堂   306天前

雖然笛卡爾坐標并不總是被使用，但每臺FDM 3D打印機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，為了實現(xiàn)這一目標，不同類型的機器使用不同的機械運動系統(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動，這對打印質量和速度有直接影響。

通常情況下，橫向運動（即左、右、前、后）通常分配給X軸和Y軸，而Z軸則對應于垂直運動。根據(jù)這一慣例，每一層都在XY平面內沉積，而Z軸運動則負責利用3D切片機中預先設定的高度在層與層之間推進。

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

3D打印機的類型

FDM3D成型機可以采用多種配置來實現(xiàn)噴嘴相對于構建平臺的3D運動。然而，由于沒有官方的分類系統(tǒng)，在討論各種打印機樣式時可能會產生混淆。

一、直線型

直線型打印機是最常見的FDM打印機，包括許多通用和特定的機器子類型。"直線"指的是沿每個軸的運動（大部分）都是獨立的線性運動，這通常會導致打印機設計成方形或盒形。

遺憾的是，直角打印機往往容易引起混淆。這是因為多年來出現(xiàn)了許多名稱和標簽，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)分極坐標打印機，而是用來泛指直角坐標打印機，以代替更具體的子類型名稱（如XZ打印頭）。這可能會產生誤導，因此最好避免將機器標為"笛卡爾打印機"，因為絕大多數(shù)打印機都使用笛卡爾坐標（包括不是直角坐標的delta和SCARA打印機）。

有鑒于此，以下三節(jié)將討論各種類型的直角坐標打印機，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打印機采用XZ頭運動系統(tǒng)（來源：Prusa Research）

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

這些打印機的移動部件可能非常重，這意味著在高速運轉時突然改變方向可能會造成問題。這個問題與打印機的抖動設置有關，可能導致沉積不準確，甚至打印失敗。

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

2、CoreXY&H-Bot

CoreXY打印機利用相當復雜的同步帶組件進行橫向移動（來源：ReP_AL Maker Shop）

CoreXY 3D打印機使用一種相當特殊的運動機制。其XY橫向運動由兩個電機和兩條長定時皮帶驅動，是一個相當復雜的動態(tài)系統(tǒng)。垂直運動（Z軸）完全由構建板向下執(zhí)行。

雖然這些3D打印機與其他打印機相比具有眾多優(yōu)勢，但最重要的可能是它們能夠以更高的速度進行打印。CoreXY型打印機的活動部件更少、更輕，因此熱端移動速度更快，打印速度也更快。這是因為負責XY運動的電機是固定的，并連接到打印機的機架上，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，因為必須始終對齊和張緊同步帶。皮帶張力過低會導致運動不準確，而皮帶張力過高則會增加磨損。劣質皮帶也是此類打印機出現(xiàn)問題的主要原因。

H-bot3D打印成型機在風格上非常相似，經常與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，因此需要不斷調整。此外，皮帶的特定配置已被證明會在打印頭運動中產生非理想的拉鋸戰(zhàn)式扭曲。由于這些原因，H型機器人自問世以來，受歡迎程度有所下降。

3、帶式3D打印機

帶式3D打印機以傳送帶的形式展示“無限”Z軸（來源：Polar）

帶式3D打印機是FDM 3D打印領域最近出現(xiàn)的一種非常獨特的新技術。皮帶"指的是構建平臺是一條傳送帶。這可能是這些機器的主要賣點，因為它允許用戶創(chuàng)建很長的部件或重復生產部件，而無需停止打印機（理論上）。

在大多數(shù)情況下，帶式3D打印機都是CoreXY或XY頭打印機，其機架相對于（帶式）構建平臺是傾斜的，這意味著坐標系實際上是傾斜的。因此，帶式打印機被稱為"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構（如上圖中紅色的3D Benchys）。

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

4、三角洲3D打印機

與直線打印機相比，Delta打印機的運動學并不直觀（來源：Adafruit）

從直線型打印機發(fā)展而來的三角洲3D打印機采用了一種相當獨特的運動機制，在業(yè)內被稱為"三角洲機器人"。這些機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軌上。由于所有熱端運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的軸相對應。

雖然三角式打印機仍被視為笛卡爾式打印機，但其運動學原理與直角式打印機相比并不直觀。三角式打印機的運動特性使其可以進行非?？焖俸途_的操作，因為打印頭比直線式機器要輕得多。這減少了噴頭運動的慣性，使運動速度更快，振動更小。

Delta打印機具有完全固定的圓形構建板，在打印圓形模型時效果很好。此外，其獨特的設計有利于提高高度，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。由于其復雜性較高，校準和故障排除也較為困難。

5、SCARA 3D打印機

SCARA工作正在進行中（來源：k0all，來自Reddit）

SCARA是"選擇性順應鉸接機械臂"的縮寫。顧名思義，它使用機械臂執(zhí)行XY運動，而垂直（Z軸）運動通常完全由構建板完成。

兩個機械臂均由兩個單獨的電機驅動，它們的耦合運動可實現(xiàn)熱端在XY平面內的定位。適當?shù)臋C械聯(lián)動系統(tǒng)可使耦合機械臂到達整個構建臺。Z運動通常由單個步進電機完成。

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

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

二、直線運動系統(tǒng)

現(xiàn)在我們知道，無論打印機的類型如何，線性運動系統(tǒng)都是3D打印機最關鍵的機構之一。雖然熱端是在3D空間內移動的，但所有運動都可以分解為沿三個軸的線性運動。

在3D打印機中，驅動這種線性運動的最常見方式是使用電機。這些電機首先將電能轉化為旋轉運動，然后使用各種機構將旋轉運動轉化為線性運動。現(xiàn)在讓我們來看看三個關鍵機構及其組件，以便更好地了解3D打印機軸所涉及的線性運動。

1、步進電機

步進電機按標準尺寸分類，表明其面板直徑（來源：Mikroe）

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

步進電機根據(jù)其規(guī)格進行識別，其術語由美國國家電氣制造商協(xié)會（NEMA）標準化。最常用于3D打印的電機都以該美國協(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，步進電機的標準扭矩范圍為40至45牛米，這已經足夠。這些電機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)直線型打印機等較重的設置，也適用于打印速度較快的CoreXY型打印機。

2、絲杠

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

這些導桿通過彈性聯(lián)軸器與步進電機相連，允許軸的末端有一定的移動量，從而避免軸承和電機本身的應力和磨損。這種設置通常用于3D打印機沿Z軸的垂直運動。

使用導螺桿進行線性運動的最大優(yōu)勢可能是其強大的推力和自鎖能力，這意味著如果打印機意外斷電，它們（通常）不會移動。這也是它們常用于移動構建平臺的原因之一。不過，X軸或Y軸很少使用導螺桿，主要是因為它們容易產生嚴重的反向間隙，導致位置不精確，而且速度很慢。

3、正時皮帶

皮帶輪組件主要用于3D打印機中的X軸和Y軸運動（來源：All3DP） 

同步帶是一種"齒形"橡膠帶，在兩個部件（通常是電機和皮帶輪）之間傳遞旋轉運動。一旦皮帶上安裝了滑塊，就可以實現(xiàn)線性運動，而電機則負責驅動整個皮帶-滑輪組件。

這些皮帶根據(jù)其齒形進行識別。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打印機中，該系統(tǒng)通常用于為X軸和Y軸提供運動，因此皮帶的正確張緊至關重要。這就是為什么許多3D打印機都內置了調節(jié)皮帶張力的裝置。

編譯整理：ALL3DP