Dlion3D打印开源教程第2期----FDM3D打印结构类型

作者：二进制创客
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        目前在淘宝上卖3D打印机的商家中，大多数是FDM3D打印机，款式多样让人眼花缭乱。其实这些桌面级3D打印机，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2000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。基本上开源的FDM3D打印机主要是以结构为区分，我们先来了解一下开源3D打印机的发展史。

开源3D打印发展史
       3d打印机的结构可以从开源打印机的第一代说起reprap1.0 darwin， 如下图。

reprap1.0 darwin

       看起来可能挺吓人，其实没那么复杂，最外面是个立方体样子的框子，中间那一块木板是打印物体的支撑平台，这个平台四个角都架在螺杆上，摞杆靠皮带带通，同步旋转，这样平台就可以保持水平的基础上升降。 上面那个是打印头，可以水平方向做平面运动，打印头的水平运动和平面的升降结合起来，最终形成3维的物体。 因此一个3d打印机的结构，主要是有支持这三个方向的直线运动机构。
       reprap的打印机看起来都挺复杂，是因为设计者的初衷就是想让机器能够复制自己，因此希望各个组成部分都可以通过3d打印得到（仅仅是理想，实际还差挺远）。因此设计了光杆框架结构的支撑。从实用性上来讲，这种框架结构，首先对装配调结的要求就很高，其次，主要部件包括电路板都外露，像个半成品。
       因为方形的结构的稳固性和调整困难，所以第二代reprap 改成了三角框架结构 ，如下图：

RepRap_Mendel

    这种框架结构下，打印头可以在水平一个方向运动，同时能在垂直方向运动，支撑平台不需要垂直运动了，只要在另外一个水平方向上运动，组合起来就能实现三维的运动。这里可以看出三维打印机机械设计的原则，把三个方向的运动分解组合实现。

因为reprap的机器设计的不像成品，限制了其使用范围，reprap团队的成员参与创办了另外一家公司，就是目前很火的makerbot。 makerbot 用切割过的木板做壳体，取代了简单的框架结构，做出来的打印机有点像商业产品了，比如makerbot第一代：

makerbot第一代

makerbot后面的版本逐步改进机械结构，第二代增大的打印尺寸，提供了自动传输带方式的连续打印，第三代引入了双打印头。昨天刚刚推出的第四代，全面更新了软硬件，引入了金属框架，并且不再开源了。据说，Makerbot的联合创始人Zach Smith，2012年5月离开自己参与创办的公司，来到寨都深圳，来传播自己硬件开源的理念。

主流桌面3D打印类型
目前主流的3D打印机按照传动方式来主要分为3种：XYZ型、CoreXY型和delta型。

XYZ型
XYZ型3D打印机的特点三轴传动互相独立：三个轴分别由三个步进电机独立控制（有些机器Z轴是两个电机,传动同步作用）。开源的reprap系列、Ultimaker 、printrbot 还有曾经开源的Makebot系列机器，都是采用XYZ型结构。

Reprap

Ultimaker

printrbot

Makebot

总体来说，XYZ结构清晰简单，独立控制的三轴，使得机器稳定性、打印精度和打印速度能维持在比较高的性能。
CoreXY型
       CoreXY结构是由Hbot结构改进来的。Hbot结构的主要优点，速度快，没有X轴电机一起运动的负担，还有就是可以做得更小巧，打印面积占比更高。

Hbot传动示意图

CoreXY结构还是鲜为人知，采用XY联动结构（除了Z轴以外，XY轴都是两个步进电机协调配合进行传动），使得3D打印机传动效率更高，能设计出更加低功耗的3D打印机。

CoreXY 打印机

CoreXY 传动示意图

       两个传送皮带也很有意思，它们看上去是相交的，其实是在两个平面上，一个在另外一个上面。而在X、Y方向移动的滑架上则安装了两个步进马达，使得滑架的移动更加精确而稳定。

delta型
       delta型也叫并联臂结构。这种结构最早是由瑞士洛桑理工学院（EPFL）的Reymond Clavel教授在上世纪80年代发明的Delta式结构。最早的Delta式并联机械臂主要用来设计一种能以很快速度操作轻小物体的机器人。Delta式并联机械臂，这是一种通过一系列互相连接的平行四边形来控制目标在X、Y、Z轴上的运动的机械结构。近年来这种机械结构的应用日益广泛，特别是它具有适应狭小空间，并能在其中有效工作的能力。1987年瑞Demaurex公司首先购买了delta机器人的知识产权并将其产业化，主要用于巧克力、饼干、面包等食品包装，后来由于硬件和软件工程的发展带来的技术和制造成本下降，很多创客在设计自己的3D打印机是借鉴了这种Delta并联式机械臂的特点，于是就出现了如今我们常见的外形接近三角形柱体的Delta式3D打印机，玩家们称为三角洲打印机。

delta型打印机

       在同样的成本下，采用delta型能设计出打印尺寸更高的3D打印机。三轴联动的结构，传动效率更高，速度更快。但是由于delta的坐标换算是采用插值的算法，弧线是用很多条小直线进行插值模拟逼近的，小线段的数量直接影响着打印的效果，造成delta的分辨率不足打印精度相对略有下降。