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3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)通常都是根據(jù)打印材料、打印要求而設(shè)計(jì)，但是其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)都是有理可尋的。不同的3D打印技術(shù)都有著不同的結(jié)構(gòu)，但同為增材制造都是逐層制造，所以其原理類(lèi)似。對(duì)于3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)的研究不單單針對(duì)某一種打印技術(shù)，而應(yīng)該是通用的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)分析，有助于進(jìn)一步推動(dòng)3D打印機(jī)的發(fā)展。

1、3D打印機(jī)以坐標(biāo)系類(lèi)型分類(lèi)

常見(jiàn)的3D打印機(jī)為了完成三維立體打印，都需要以不同的方式在三維空間中進(jìn)行定點(diǎn)定位，這時(shí)就需要利用坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。而在3D打印機(jī)研究進(jìn)展中，常見(jiàn)的不外乎為笛卡爾坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)兩種。

笛卡爾坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，是在各種3D打印技術(shù)上都是十分普遍的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制造，但其缺點(diǎn)也較明顯，由于采用直角坐標(biāo)系，在進(jìn)行弧面以及圓弧打印時(shí)，其只能通過(guò)圓弧插值的方法進(jìn)行打印，就會(huì)導(dǎo)致打印精度較差，打印的圓弧面會(huì)有階梯狀的凸起。

常見(jiàn)的基于笛卡爾坐標(biāo)系的3D打印機(jī)涉及X、Y、Z三個(gè)向的運(yùn)動(dòng)，而噴頭與打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式可以歸納為3類(lèi)：

（1）噴頭做X軸和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)獨(dú)立做Z軸方向運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)形式，噴頭較工作臺(tái)而言具有質(zhì)量小、體積小等特點(diǎn)，適合高精度緊湊型3D打印機(jī)。但打印機(jī)噴頭在XY平面做復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)影響噴頭的正常出料，從而導(dǎo)致打印質(zhì)量的下降。

（2）噴頭做X軸（或Y軸）和Z軸方向運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)獨(dú)立做Y軸（或X軸）方向的運(yùn)動(dòng)。或者噴頭獨(dú)立做X軸（或Y軸）方向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)做Y軸（或X軸）和Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。這運(yùn)動(dòng)形式將Z軸與X軸（或 Y軸）結(jié)合進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，具有較小的運(yùn)動(dòng)慣量，且打印噴頭和工作平臺(tái)所需的運(yùn)動(dòng)空間較小，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于小型家用3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 

（3）打印平臺(tái)作X軸和Y軸方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，噴頭僅在Z軸方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)形式的打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但對(duì)于Z軸運(yùn)動(dòng)控制精度要求較高，由打印平臺(tái)在XY平面的移動(dòng)需要較大的空間，且工作臺(tái)質(zhì)量較大，不能用于較快速度的打印。

極坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)則是在平面內(nèi)由極點(diǎn)、極軸和極徑組成的坐標(biāo)系，由于其原理的特殊性，所以其打印結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，從而使其運(yùn)行安靜，外形別致，把復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)完成的動(dòng)作都交給軟件端來(lái)完成，盡量保持機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單。

其優(yōu)點(diǎn)在于可以用較小的3D打印機(jī)打印較大的物件，且可以較高精度的打印弧面，有打印速度快，穩(wěn)定性好和控制簡(jiǎn)單等；缺點(diǎn)就是對(duì)軟件部分要求較高，需要大量計(jì)算。

極坐標(biāo)系（左）與直角坐標(biāo)系（右）3D打印機(jī)

2、3D打印機(jī)以外觀結(jié)構(gòu)分類(lèi)

目前極光創(chuàng)新商用3D打印機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)主要有三角型結(jié)構(gòu)、矩形桿式結(jié)構(gòu)、矩形盒式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)這四類(lèi)，不同的結(jié)構(gòu)有著各自的特點(diǎn)以及使用場(chǎng)景，如下圖所示。

（a）為三角型結(jié)構(gòu)（b）為矩形桿式結(jié)構(gòu)（c）為矩形盒式結(jié)構(gòu)（d）為并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)

不同外形結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)

三角型結(jié)構(gòu)是以三角形框架組成，框架呈屋頂形，外觀結(jié)構(gòu)小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，打印噴頭在支架中樣沿X、Z軸運(yùn)動(dòng)，在Y軸方向可以伸出較遠(yuǎn)，增加了Y軸方向的打印尺寸。而其缺點(diǎn)在于機(jī)體的制作精度較低，通常只能達(dá)到mm級(jí)，在打印時(shí)打印物體隨熱床在Y軸前后移動(dòng)容易導(dǎo)致黏附不牢。

矩形桿式結(jié)構(gòu)是一個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，通常由桿件與固定件搭建成框架結(jié)構(gòu)，打印噴頭安裝在框架內(nèi)部與工作平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)組合，完成三維立體的打印。矩形桿式結(jié)構(gòu)不但能媲美盒式結(jié)構(gòu)組裝精度，還同樣具有三角形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。但是其同樣具有打印過(guò)程抖動(dòng)較大，容易產(chǎn)生較大的位置誤差，打印過(guò)程難以維持工作臺(tái)的水平。

矩形盒式結(jié)構(gòu)是商業(yè)化最為普遍的形式，從整個(gè)3D打印的發(fā)展歷程來(lái)看，這種形式的機(jī)器也是發(fā)展較為完整的機(jī)器。整體安裝精度高，商業(yè)化的3D打印機(jī)通常都會(huì)采用這種結(jié)構(gòu)。通常采用矩形盒式結(jié)構(gòu)的FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，內(nèi)部多用同步帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)打印速度過(guò)快時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響打印精度。此種結(jié)構(gòu)不只是FDM技術(shù)的3D打印機(jī)會(huì)采用，其他類(lèi)型的打印技術(shù)也經(jīng)常采用。

并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)是一種閉鏈機(jī)構(gòu)，其中較為典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)有Delta結(jié)構(gòu)與Stewart結(jié)構(gòu)，其中Delta結(jié)構(gòu)是一種早先應(yīng)用于機(jī)械臂的并聯(lián)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。其通常采用三分支并聯(lián)臂，根據(jù)各個(gè)分支在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閲婎^在三維空間的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三維打印。

該種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而且打印精度高，打印速度快，缺點(diǎn)就在于需要大量的計(jì)算將各個(gè)分支的Z軸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閲婎^的運(yùn)動(dòng)。該種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能，只是對(duì)軟件要求較高，在3D打印機(jī)領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。

3D打印機(jī)都是通過(guò)打印平臺(tái)黏接固定打印零件，在Z軸方向逐層堆疊，從而形成三維立體結(jié)構(gòu)。不管是FDM技術(shù)還是SLS技術(shù)的其成型原理一致，所以其大體結(jié)構(gòu)存在相似性。

極光創(chuàng)新來(lái)告訴你：傳統(tǒng)的3D打印機(jī)都是由外部框架支撐，以電機(jī)為動(dòng)力源，以同步帶或者絲桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，根據(jù)實(shí)際需求選擇噴頭與打印工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)形式，從而完成立體結(jié)構(gòu)的打印。常見(jiàn)的光固化打印技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)這類(lèi)3D打印技術(shù)略有不同，其類(lèi)型的3D打印機(jī)沒(méi)有噴頭，但有材料供給的機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理類(lèi)似與噴頭，都是將材料送至打印區(qū)域。

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)，在日漸發(fā)展的3D打印中已經(jīng)不能滿(mǎn)足打印需求，目前主流的3D打印機(jī)已經(jīng)從之前的三自由度機(jī)構(gòu)逐步向多自由度發(fā)展，3D打印機(jī)的噴頭機(jī)構(gòu)也同樣在進(jìn)行改變，從單口向多口發(fā)展。結(jié)構(gòu)也不在局限于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)有將5自由度的機(jī)械臂用于3D打印機(jī)，或者結(jié)合并聯(lián)結(jié)構(gòu)增加工作平臺(tái)的自由度從而實(shí)現(xiàn)多自由的打印。