3D打印技术普及（一）基础硬件知识与流行3D打印机结构对比 DF创客社区

本帖最后由 dsweiliang 于 2016-1-8 18:48 编辑

首先说明，这个帖子是属于知识普及贴，给初学者对3d打印机的机械结构有一个较为全面的了解。如果是老鸟的话，欢迎提宝贵建设性建议。这是我自己的一些经验体会和大家分享。我说的不一定是真理，但是是自己的经验，希望对大家有帮助。
前言
      目前在淘宝上卖3D打印机的商家中，又各式各样的花多眼乱的3D打印机。在我看来，这些打印机所应用的原理，技术手段基本上是大同小异的。但是作为商家，肯定会对自己所卖的产品有些广告成分（这个无可厚非），作为消费者和使用者的我们来说，选择功能和价钱都合适自己的打印机才是最重要的。花一千多块钱DIY一台开源的或者花20000块钱买一台现成的CUBE 这个是个人选择。我们不需要在这里争这个，我们需要做的是对各种各样的打印机有所了解，知道优点、缺点，这样才可以作出最好的选择。

一、基础知识

1.3d打印机的是由下面这几个部件构成的：
   1)机体框架
   机体框架是各款打印机之间的最大差异的地方，总的所来有一个原则是不会违背的，就是结构的刚性！各款打印机都是主要采用三角形、矩形来作为机体结构的基本形状。因为打印机工作的时候，x轴、y轴是在不断的运动的，所以为了保证打印机的精度，所以喷头运动时的动量对机体的影响越小越好！解决方法就是减轻喷头质量和提高机体刚性。本文下部会详细说说各种机体的优缺点的。
   2）机械轴
机械轴就是XYZ轴运动的部件，主要有3种类型：
   直角坐标型：XYZ轴成互为直角样子的，XY轴通常是由同步带接步进电机来定位的，Z轴则是由丝杆控制的。
   三角爪型：其数学原理是跟直角坐标型一样，用笛卡尔坐标系原理的。只是将XY轴通过三角函数来映射到三个爪的位置上。
      舵机转动型：舵机转动行型XY轴坐标所运用的数学原理则是采用极坐标系了（不懂的话看下文，有解释）。跟笛卡尔坐标系不同，所以在控制程序上有完全不同的代码。
   从理论上来说不论是笛卡尔坐标系还是极坐标系，所表示空间中的一点都是一样的，也就是说，这些打印机的打印精度是一致的。不存在说用极坐标系的效果就不如笛卡尔坐标系的。（不要被商家忽悠哦！）
   3）控制电路
   控制电路的基本结构是由单片机、步进电机驱动、控制喷嘴热床的场效应管还有各种外出接口构成的。
      单片机现在有两大种类：
      a）用Arduino MEGA 开源硬件作为基础部件，具体参数可以看这里。在单片机外面外加一个集成步进电机驱动、场效应管等外围电路的电路版。主要代表就是Ramps 、Ultimaker。这样的好处是减少了维护成本，把控制板分为核心板、扩展板和驱动板，这样在其中某一个板损坏时只需要更换坏的部分就可恢复使用，而且arduino MEGA 的资源较为丰富，扩展功能会比ATMEGA644P 、ATMEGA1284芯片要多。这种设计的缺点就是初次投入成本高，而且体积也会比单一控制板要大（原因不用我多说啦，多了一块扩展板是要体积和成本的嘛！）
   b) 直接用AMTEL ATMEGA644P 、ATMEGA1284等芯片直接将单片机和控制电路做在一起。主要代表是：Sanguinololu、Printrboard、GEN6、Melzi。（请看我的另一帖子详细介绍https://mc.dfrobot.com.cn/thread-13382-1-1.html）这样的好处是体积较为小、初始成本稍微比第一类少一点。缺点就是后期维护困难，没有一定的电子维修基础和经验的handle得了的。对于小白或者菜鸟来说，这种板能维修的可能性几乎为0.
4）喷嘴、热床
      喷嘴主要分为两种：
            a)J-head。J-head的重量较轻，适合用在一些精度要求较高，或者机械轴负载能力较弱的结构中（三角爪型就用这个。）而且这个在万能的* 宝上价格相对便宜。
            b)Budaschnozzle。这种喷头有主动散热和被动散热两种方式，MK7喷头就是采用这种结构的主动式散热。makebot 、reprappro的机器都是采用这种喷头结构作为默认结构。
      当然这两种结构同样也是没有优劣之分，只有适合与不适合之分。我们DIY时可以根据自己实际的需要进行重新组合。
5）挤出机：挤出机主要分为直接挤丝(direct driver Extruder )、齿轮挤丝( Wade's Extruder)和液体挤出三种类型。
      我们平时常用的就是直接挤出和齿轮挤出两类型:
            齿轮挤出机：步进电机用个小齿轮带动个大齿轮进行挤丝的：这种装置的的好处在于对于步进电机的电流，还有参数要求并不是太高，同时由于采用齿轮减速加力，因此挤丝力量会较好。缺点就是这种装置的结构复杂程度较高，维护起来有点麻烦哦。
            直接挤丝：步进电机直接接个挤丝轮进行挤丝的：这需要用较大扭矩的步进电机。这种结构的有点在于结构简单好维护，但是不适合长距离挤丝（喷头和挤出机之间的距离比较长，有些打印机为提高精度，会尽量减轻喷头的重量的，则需要将挤出机放在机身上，喷头到挤出机之间通过聚聚四氟乙烯管作为导管的。这时最好用齿轮挤出机了。）
   6）电源：一般采用的ATX电源（电脑主机电源）、开关电源、Xbox360 203w电源。这个只需要考虑电源是否在12-24V，电流是否在8A以上就可以了，整个打印机的最大消耗电源部件是喷嘴和热床，自己在选电源是最好是选质量较好的电脑电源和开关电源。去当地的电子城都会有卖的，一般价钱在100元以下。

2. 3D打印机运动控制的数学知识
   笛卡尔坐标系：
      笛卡尔坐标系就是直角坐标系和斜角坐标系的统称。相交于原点的两条数轴，构成了平面仿射坐标系。如两条数轴上的度量单位相等，则称此仿射坐标系为笛卡尔坐标系。两条数轴互相垂直的笛卡尔坐标系，称为笛卡尔直角坐标系，否则称为笛卡尔斜角坐标系。笛卡尔坐标，它表示了点在空间中的位置，但却和直角坐标有区别，两种坐标可以相互转换。
      极坐标系：
      在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系。在平面上取定一点O，称为极点。从O出发引一条射线Ox，称为极轴。再取定一个长度单位，通常规定角度取逆时针方向为正。这样，平面上任一点P的位置就可以用线段OP的长度ρ以及从Ox到OP的角度θ来确定，有序数对（ρ，θ）就称为P点的极坐标，记为P（ρ，θ）；ρ称为P点的极径，θ称为P点的极角。当限制ρ≥0，0≤θ<2π时，平面上除极点Ο以外，其他每一点都有唯一的一个极坐标。极点的极径为零，极角任意。若除去上述限制，平面上每一点都有无数多组极坐标，一般地，如果（ρ，θ）是一个点的极坐标，那么（ρ，θ+2nπ），（－ρ，θ+（2n+1）π），都可作为它的极坐标，这里n 是任意整数。平面上有些曲线，采用极坐标时，方程比较简单。例如以原点为中心，r为半径的圆的极坐标方程为ρ=r 等速螺线的极坐标方程为ρ=aθ 。此外，椭圆、双曲线和抛物线这3种不同的圆锥曲线，可以用一个统一的极坐标方程表示。
   极坐标与笛卡尔坐标系之间的转换：
   在极坐标系与平面直角坐标系（笛卡尔坐标系）间转换　极坐标系中的两个坐标 ρ和 θ可以由下面的公式转换为直角坐标系下的坐标值x=ρcosθ y=ρsinθ 由上述二公式，可得到从直角坐标系中x和 y两坐标如何计算出极坐标下的坐标θ=arctany/x ( x不等于0)在 x= 0的情况下：若 y为正数 θ= 90° (π/2 radians)；若 y为负，则 θ= 270° (3π/2 radians).
   上面的内容如果有不会的，请自觉翻看高中数学课本，或者跟数学老师叙叙旧

二、主流3D打印机结构对比
      主流3D打印机其实有开源的reprap系列、Ultimaker 、printrbot 还有曾经开源的Makebot系类。我主要是从两方面考虑的：
1）我更多的是考虑结构的代表性，而不是品牌，reprap系列的打印机基本上是三角形的、而Ultimaker、makebot系类是矩形盒状、printrbot则是矩形支架状。
2）我考虑的我们下一步自己DIY打印机的难度。在精度与组装难度之间要取得一个平衡。我也知道3dsystem的机子精度高，效果好，但是价钱、组装等问题都不是我们DIY可以做到的。Rostock结构简单效果也不错，但是其固件调教需要较高的经验，同样不适合我们菜鸟DIY。
因此，基于上述两个原因，我就目前主流3d打印机进行对比，当然，这个是我自己的个人经验，供大家参考，有不同意见的我非常欢迎大家提出建设性意见和建议。

三角型结构的代表作
三角形是稳定与成本的完美结合，在我们DIY时无非就是考虑稳定和成本嘛，自然三角形结构是首选，在三角形结构中以reprap系列最为流行，而reprap的分支众多，现在比较流行的是mendel 、huxley 和Prusa这三个分支。其基本特点是机身侧边是一个三角形，三角形底部是放热床的地方，X轴在两个Z轴部件电机构成的平面上活动，而Z轴则与机身三角形的垂直中线重合。在打印机是由于热床在Y轴上前后移动会带着打印物体也前后移动，所以需要特别留意打印物体与热床的粘合度要牢固哦。
   这种结构的优点是：
      1）结构简单，组装、维修等都较为方便
      2）对于丝杆、光轴的切割精度要求不高（两边有点多余量不会影响结构，因为两头都是开放的。）
      3）需要的部件较少
   其缺点是：
      1）机体的制作精度较低，通常只能达到mm级，需要更高的精度需要很大的力气去调试的
      2）打印时，打印物体随热床在Y轴前后移动
      3）电源、控制板放的位置比较随意，不好看。

代表机型：Prusa i2， mendel

矩形盒式结构的代表作
    这种结构的机器是目前市面上最为普及的机型，整个3d打印的发展来历程来看，这种形式的机器也是发展较为完整的机器，商业化程度最高。Makebot 、Ultimaker Mbot等机型都是此类的代表。这机器的特点是热床移动是沿Z轴移动的，物体定在热床上不会有XY轴方向的移动，所以基本不用担心打印物体的在打印过程中出现位移情况。而且由于只需对喷头做XY轴移动，减轻喷头重量就可以条打印速度和打印精度（Ultimaker就是用这样的思路）。
   优点：
   1）打印精度、打印速度较高
   2)安装精度高，因为采用激光切割技术，其精度可以轻松达到0.1mm
   3)电源、电线等可以很好的收藏在机体内
   缺点：
   1）安装过程较为复杂、维修也较为困难
   2）丝杆、光轴加工精度要高与Prusa
   3）整机成本较高

代表机型： makebot 的 Replicator系列  Ultimaker系列  Mbot系列

矩形杆式结构的代表作
这种结构采用了激光切割技术机身组装精度可以跟盒式结构媲美，又继承了三角形结构的的结构简单，其XYZ轴的运动方式与三角形结构的运动方式是一致的，所以也同时继承了三角形结构的缺点。杆式结构的Z轴步进电机放在机身的底部，由于杆式结构与工作平台的接触面积较小，所以将较重的步进电机放在底部以降低中心。
   优点：
   1）结构简单，组装、维修等都较为方便
   2）安装精度高，因为采用激光切割技术，其精度可以轻松达到0.1mm
   3）整机成本较低
   缺点：
   1）打印时，打印物体随热床在Y轴前后移动
   2）电源、控制板放的位置比较随意，不好看。

代表机型： Printrbot系列

三角爪式结构的代表作
这种结构是开源3d打印机的一个重要分支，其数学原理实际上还是笛卡尔坐标系，只是通过三角函数将XY坐标映射到三台垂直的轴上去，这种结构的有对喷头的重量有较高的要求，因此通常采用J-head 和齿轮式挤出机的。这种结构的机械复杂程度要比传统的直角坐标系结构简单很多，但是固件就复杂多了。现在Marlin固件有一个专门的分支来控制这类型的3d打印机。这种结构有一个很大的不足就是Z轴方向的体积较大（因为要容纳爪的长度），构建高度20CM的打印机整体高度可以达到40-50CM，所以这种结构适合在有固定场所使用。
   优点：
      1）打印精度、打印速度较高
      2）安装过程较为简单、维修也较为简单
   缺点：
      1）固件调试复杂
      2）整机体积较大
代表机型： Rostock 、Rostock mini

      舵机转动型结构由于目前属于一个较为新兴的阶段，相关的开源资料较少。这里就不多作论述。

后记
      DIY一台成本低、精度高的3D打印机其实不是一件很复杂的事情，所需要的知识也不是很复。所以想DIY的朋友们不需要有太多的担心。关键是选对了机型，有人带一下很容易就入门了。我打算在论坛里搞个项目，先教大家自己DIY第一3d打印机，这样就可以以点带面推广这项技术了。由于帖子出现的时间比较旧，经过多人的转载，已经不知道原作者是谁了，不过还是要感谢原作者的无私分享

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