3D打印機軸：基礎知識簡單解釋

魔猴君  知識堂   302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，為了實現這一目標，不同類型的機器使用不同的機械運動系統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，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（來源：Prusa Research）

大多數直線打印機都是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，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系統。垂直運動（Z軸）完全由構建板向下執行。

雖然這些3D打印機與其他打印機相比具有眾多優勢，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常快速和精確的操作，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熱端在XY平面內的定位。適當的機械聯動系統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的社區支持可能非常困難。

二、直線運動系統

現在我們知道，無論打印機的類型如何，線性運動系統都是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。

步進電機根據其規格進行識別，其術語由美國國家電氣制造商協會（NEMA）標準化。最常用于3D打印的電機都以該美國協會的名稱命名，通常稱為"NEMA"，后面的數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皮帶張力的裝置。

編譯整理：ALL3DP