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科普:3D打印機基礎硬件知識與主流機型結構對比 

2017-04-17 14:43
首先說明,這個帖子是屬于知識普及貼,給初學者對3d打印機的機械結構有一個較為全面的了解。如果是老鳥的話,歡迎提寶貴建設性建議。這是我自己的一些經驗體會和大家分享。我說的不一定是真理,但是是自己的經驗,希望對大家有幫助。
前言      
         目前在*寶上買3D打印機的商家中,又各式各樣的花多眼亂的3D打印機。在我看來,這些打印機所應用的原理,技術手段基本上是大同小異的。但是作為商家,肯定會對自己所賣的產品有些廣告成分(這個無可厚非),作為消費者和使用者的我們來說,選擇功能和價錢都合適自己的打印機才是最重要的。花2000塊錢diy一臺開源的或者花20000塊錢買一臺現(xiàn)成的CUBE 這個是個人選擇。我們不需要在這里爭這個,我們需要做的是對各種各樣的打印機有所了解,知道優(yōu)點、缺點,這樣才可以作出最好的選擇。

一、基礎知識

1.3d打印機的是由下面這幾個部件構成的:
     1)機體框架  :機體框架是各款打印機之間的最大差異的地方,總的所來有一個原則是不會違背的,就是結構的剛性!各款打印機都是主要采用三角形、矩形來作為機體結構的基本形狀。因為打印機工作的時候,x軸、y軸是在不斷的運動的,所以為了保證打印機的精度,所以噴頭運動時的動量對機體的影響越小越好!解決方法就是減輕噴頭質量和提高機體剛性。本文下部會詳細說說各種機體的優(yōu)缺點的。
     2)機械軸
             機械軸就是XYZ軸運動的部件,主要有3種類型:
                直角坐標型:XYZ軸成互為直角樣子的,XY軸通常是由同步帶接步進電機來定位的,Z軸則是由絲桿控制的。
                三角爪型:其數(shù)學原理是跟直角坐標型一樣,用笛卡爾坐標系原理的。只是將XY軸通過三角函數(shù)來映射到三個爪的位置上。
                舵機轉動型:舵機轉動行型XY軸坐標所運用的數(shù)學原理則是采用極坐標系了(不懂的話看下文,有解釋)。跟笛卡爾坐標系不同,所以在控制程序上有完全不同的代碼。
      從理論上來說不論是笛卡爾坐標系還是極坐標系,所表示空間中的一點都是一樣的,也就是說,這些打印機的打印精度是一致的。不存在說用極坐標系的效果就不如笛卡爾坐標系的。(不要被商家忽悠哦?。?br />       3)控制電路
       控制電路的基本結構是由單片機、步進電機驅動、控制噴嘴熱床的場效應管還有各種外出接口構成的。
       單片機現(xiàn)在有兩大種類:
                1)用arduino MEGA 開源硬件作為基礎部件,具體參數(shù)可以看這里。在單片機外面外加一個集成步進電機驅動、場效應管等外圍電路的電路版。主要代表就是Ramps 、Ultimaker。這樣的好處是減少了維護成本,把控制板分為核心板、擴展板和驅動板,這樣在其中某一個板損壞時只需要更換壞的部分就可恢復使用,而且arduino MEGA 的資源較為豐富,擴展功能會比ATMEGA644P 、ATMEGA1284芯片要多。這種設計的缺點就是初次投入成本高,而且體積也會比單一控制板要大(原因不用我多說啦,多了一塊擴展板是要體積和成本的嘛!)
               2) 直接用AMTEL ATMEGA644P 、ATMEGA1284等芯片直接將單片機和控制電路做在一起。主要代表是:Sanguinololu、Printrboard、GEN6、Melzi。這樣的好處是體積較為小、初始成本稍微比第一類少一點。缺點就是后期維護困難,沒有一定的電子維修基礎和經驗的handle得了的。對于小白或者菜鳥來說,這種板能維修的可能性幾乎為0.

     4)噴嘴、熱床
        噴嘴主要分為兩種:
               一種是J-head;
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       J-head的重量較輕,適合用在一些精度要求較高,或者機械軸負載能力較弱的結構中(三角爪型就用這個。)而且這個在萬能的* 寶上價格相對便宜。
              另一種是Budaschnozzle
               
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          這種噴頭有主動散熱和被動散熱兩種方式,MK7噴頭就是采用這種結構的主動式散熱。makebot 、reprappro的機器都是采用這種噴頭結構作為默認結構。
          當然這兩種結構同樣也是沒有優(yōu)劣之分,只有適合與不適合之分。我們DIY時可以根據自己實際的需要進行重新組合。

     5)擠出機 :擠出機主要分為直接擠絲(direct driver Extruder )、齒輪擠絲( Wade's Extruder)和液體擠出三種類型。
          我們平時常用的就是直接擠出和齒輪擠出兩類型:
              齒輪擠出機:步進電機用個小齒輪帶動個大齒輪進行擠絲的:這種裝置的的好處在于對于步進電機的電流,還有參數(shù)要求并不是太高,同時由于采用齒輪減速加力,因此擠絲力量會較好。缺點就是這種裝置的結構復雜程度較高,維護起來有點麻煩哦。
               
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              直接擠絲:步進電機直接接個擠絲輪進行擠絲的:這需要用較大扭矩的步進電機。這種結構的有點在于結構簡單好維護,但是不適合長距離擠絲(噴頭和擠出機之間的距離比較長,有些打印機為提高精度,會盡量減輕噴頭的重量的,則需要將擠出機放在機身上,噴頭到擠出機之間通過聚聚四氟乙烯管作為導管的。這時最好用齒輪擠出機了。)           
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     6)電源:一般采用的ATX電源(電腦主機電源)、開關電源 、Xbox360 203w電源。這個只需要考慮電源是否在12-24V,電流是否在8A以上就可以了,整個打印機的最大消耗電源部件是噴嘴和熱床,自己在選電源是最好是選質量較好的電腦電源和開關電源。去當?shù)氐碾娮映嵌紩匈u的,一般價錢在100元以下。
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2. 3D打印機運動控制的數(shù)學知識
     笛卡爾坐標系:
        笛卡爾坐標系 就是直角坐標系和斜角坐標系的統(tǒng)稱。 相交于原點的兩條數(shù)軸,構成了平面仿射坐標系。如兩條數(shù)軸上的度量單位相等,則稱此仿射坐標系為笛卡爾坐標系。兩條數(shù)軸互相垂直的笛卡爾坐標系,稱為笛卡爾直角坐標系,否則稱為笛卡爾斜角坐標系。 笛卡爾坐標,它表示了點在空間中的位置,但卻和直角坐標有區(qū)別,兩種坐標可以相互轉換。
        極坐標系:
         在平面內由極點、極軸和極徑組成的坐標系。在平面上取定一點O,稱為極點。從O出發(fā)引一條射線Ox,稱為極軸。再取定一個長度單位,通常規(guī)定角度取逆時針方向為正。這樣,平面上任一點P的位置就可以用線段OP的長度ρ以及從Ox到OP的角度θ來確定,有序數(shù)對(ρ,θ)就稱為P點的極坐標,記為P(ρ,θ);ρ稱為P點的極徑,θ稱為P點的極角。當限制ρ≥0,0≤θ<2π時,平面上除極點Ο以外,其他每一點都有唯一的一個極坐標。極點的極徑為零 ,極角任意。若除去上述限制,平面上每一點都有無數(shù)多組極坐標,一般地 ,如果(ρ,θ)是一個點的極坐標 ,那么(ρ,θ+2nπ),(-ρ,θ+(2n+1)π),都可作為它的極坐標,這里n 是任意整數(shù)。平面上有些曲線,采用極坐標時,方程比較簡單。例如以原點為中心,r為半徑的圓的極坐標方程為ρ=r 等速螺線的極坐標方程為ρ=aθ 。此外,橢圓 、雙曲線和拋物線這3種不同的圓錐曲線,可以用一個統(tǒng)一的極坐標方程表示。   
      
    極坐標與笛卡爾坐標系之間的轉換:
      在極坐標系與平面直角坐標系(笛卡爾坐標系)間轉換 極坐標系中的兩個坐標 ρ和 θ可以由下面的公式轉換為 直角坐標系下的坐標值x=ρcosθ
y=ρsinθ
由上述二公式,可得到從直角坐標系中x和 y兩坐標如何計算出極坐標下的坐標
θ=arctany/x ( x不等于0)
在 x= 0的情況下:若 y為正數(shù) θ= 90° (π/2 radians);若 y為負,則 θ= 270° (3π/2 radians).
     上面的內容如果有不會的,請自覺翻看高中數(shù)學課本,或者跟數(shù)學老師敘敘舊

三、主流3D打印機結構對比
         主流3D打印機其實有開源的reprap系列、Ultimaker 、printrbot 還有曾經開源的Makebot系類。我主要是從兩方面考慮的:
1)我更多的是考慮結構的代表性,而不是品牌,reprap系列的打印機基本上是三角形的、而Ultimaker、makebot系類是矩形盒狀、printrbot則是矩形支架狀。
2)我考慮的我們下一步自己DIY打印機的難度。在精度與組裝難度之間要取得一個平衡。我也知道3dsystem的機子精度高,效果好,但是價錢、組裝等問題都不是我們DIY可以做到的。Rostock結構簡單效果也不錯,但是其固件調教需要較高的經驗,同樣不適合我們菜鳥DIY。
因此,基于上述兩個原因,我就目前主流3d打印機進行對比,當然,這個是我自己的個人經驗,供大家參考,有不同意見的我非常歡迎大家提出建設性意見和建議。

三角型結構的代表作
     三角形是穩(wěn)定與成本的完美結合,在我們DIY時無非就是考慮穩(wěn)定和成本嘛,自然三角形結構是首選,在三角形結構中以reprap系列最為流行,而reprap的分支眾多,現(xiàn)在比較流行的是mendel 、huxley 和Prusa這三個分支。其基本特點是機身側邊是一個三角形,三角形底部是放熱床的地方,X軸在兩個Z軸部件電機構成的平面上活動,而Z軸則與機身三角形的垂直中線重合。在打印機是由于熱床在Y軸上前后移動會帶著打印物體也前后移動,所以需要特別留意打印物體與熱床的粘合度要牢固哦。
       這種結構的優(yōu)點是
          結構簡單,組裝、維修等都較為方便
          對與絲桿、光軸的切割精度要求不高(兩邊有點多余量不會影響結構,因為兩頭都是開放的。)
           需要的部件較少
       其缺點是:
            機體的制作精度較低,通常只能達到mm級,需要更高的精度需要很大的力氣去調試的
           打印時,打印物體隨熱床在Y軸前后移動
           電源、控制板放的位置比較隨意,不好看。
代表機型:Prusa  Air2
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矩形盒式結構的代表作
     這種結構的機器是目前市面上最為普及的機型,整個3d打印的發(fā)展來歷程來看,這種形式的機器也是發(fā)展較為完整的機器,商業(yè)化程度最高。Makebot 、Ultimaker Mbot等機型都是此類的代表。這機器的特點是熱床移動是沿Z軸移動的,物體定在熱床上不會有XY軸方向的移動,所以基本不用擔心打印物體的在打印過程中出現(xiàn)位移情況。而且由于只需對噴頭做XY軸移動,減輕噴頭重量就可以條打印速度和打印精度(Ultimaker就是用這樣的思路)。
       優(yōu)點:
      打印精度、打印速度較高
      安裝精度高,因為采用激光切割技術,其精度可以輕松達到0.1mm
      電源、電線等可以很好的收藏在機體內
     缺點:
      安裝過程較為復雜、維修也較為困難
      絲桿、光軸加工精度要高與Prusa
     整機成本較高
代表機型 : makebot 的 Replicator系列  Ultimaker系列  
Replicator.webp
Ultimaker.webp

矩形桿式結構的代表作
     這種結構采用了激光切割技術機身組裝精度可以跟盒式結構媲美,又繼承了三角形結構的的結構簡單,其XYZ軸的運動方式與三角形結構的運動方式是一致的,所以也同時繼承了三角形結構的缺點。桿式結構的Z軸步進電機放在機身的底部,由于桿式結構與工作平臺的接觸面積較小,所以將較重的步進電機放在底部以降低中心。
       優(yōu)點:
      結構簡單,組裝、維修等都較為方便
      安裝精度高,因為采用激光切割技術,其精度可以輕松達到0.1mm
      整機成本較低
     缺點:
      打印時,打印物體隨熱床在Y軸前后移動
           電源、控制板放的位置比較隨意,不好看。
代表機型 : Printrbot系列
Printrbot.webp

三角爪式結構的代表作
     這種結構是開源3d打印機的一個重要分支,其數(shù)學原理實際上還是笛卡爾坐標系,只是通過三角函數(shù)將XY坐標映射到三臺垂直的軸上去,這種結構的有對噴頭的重量有較高的要求,因此通常采用J-head 和 齒輪式擠出機的。這種結構的機械復雜程度要比傳統(tǒng)的直角坐標系結構簡單很多,但是固件就復雜多了?,F(xiàn)在Marlin固件有一個專門的分支來控制這類型的3d打印機。這種結構有一個很大的不足就是Z軸方向的體積較大(因為要容納爪的長度),構建高度20CM的打印機整體高度可以達到40-50CM,所以這種結構適合在有固定場所使用。
       優(yōu)點:
      打印精度、打印速度較高
      安裝過程較為簡單、維修也較為簡單
     缺點:
      固件調試復雜
      整機體積較大
代表機型 : Rostock 、Rostock mini
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舵機轉動型結構由于目前屬于一個較為新興的階段,相關的開源資料較少。這里就不多作論述。
后記
DIY一臺成本低、精度高的3D打印機其實不是一件很復雜的事情,所需要的知識也不是很復雜,我本人是學經濟學專業(yè)的,工作也是從事金融方面的。所以想DIY的朋友們不需要有太多的擔心。關鍵是選對了機型,有人帶一下很容易就入門了。我打算在論壇里搞個項目,先教大家自己DIY第一3d打印機,這樣就可以以點帶面推廣這項技術了

轉載自:3D打印實踐論壇
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科普:3D打印機基礎硬件知識與主流機型結構對比 
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