3D打印机轻松DIY
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第2章 3D打印机组装前的准备

2.1 了解Reprap 3D打印机

2.1.1 发展历史

促使3D打印机逐渐普及和价格降低的因素有很多,比如3D建模软件的改进、配件的标准化、民众关注度的提高等,而3D打印机采用的开源硬件Arduino是其价格迅速下降的主要原因。开源硬件Arduino是一款电子原型平台,该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套程序开发环境。它为3D打印机提供了一个便宜而又强大的解决方案,加上与其他开源技术的配合,3D打印机的生产门槛越来越低。Reprap是最早使用Arduino作为控制方案的3D打印机,所以大多数以它为“蓝本”的改进产品也是采用Arduino作为主控设备的,图2-1为Arduino开源电路板。

Reprap(Replicating Rapid Prototyper)就是快速自我复制原型的意思,该系列打印机设计初衷就是为了让越来越多的人可以拥有3D打印机。Reprap开源3D打印项目由英国巴斯大学高级讲师阿里德安(Adrian Bowyer)博士创建于2005年,他把安装过程和文件通过开源的方式分享出来,而且由于Reprap可以打印出大部分的自身(塑料)部件,因此Reprap 3D打印机被称作是可以自我复制的3D打印机。图2-2为Reprap开源3D打印机鼻祖。

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图2-1 Arduino开源电路板

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图2-2 Reprap开源3D打印机鼻祖

Reprap 3D打印机价格相对低廉,并拥有全世界众多的开发和使用者。近年来Reprap 3D打印机快速发展,很大一部分得益于该项目的开源特性,任何人都可以获得3D打印机的全部资料,可以在别人的基础上改进和传播,且不收取任何费用。

Reprap项目已经发布了多个版本的3D打印机。最早由“达尔文(Darwin)”“孟德尔(Medel)”逐步发展到类似机型Mendel Prusa系列,Prusa又经历了两代的改进到目前非常流行的Prusa i33D打印机。还衍生了一系列产品,比如体积更小的Huxley(赫胥黎)3D打印机,以及可以打印三种颜色的TriColor Mendel 3D打印机。开发者采用著名生物学家们的名字来命名,因为Reprap就是名副其实的“复制和进化”。

2007年发布了“Darwin”,“Darwin”是方盒状的打印机,Z轴通过安装在盒子四角的螺纹杆实现打印平台上下滑动,打印喷头采用X和Y轴双向移动。图2-3为Darwin(Reprap第1代产品)

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图2-3 Darwin(Reprap第1代产品)

2009年发布了“Mendel”(图2-4),Mendel(Reprap第2代产品)呈三角形,用滚珠轴承取代了第一代机型的滑动轴承,减少了摩擦和误差。打印平台沿Y轴移动,打印喷头沿X轴移动,通过两个螺纹杆控制Z轴移动。相比较第一代,Mendel有如下几个优点：

1)在节省桌面空间的情况下,提高了打印尺寸。

2)一定程度上解决了Z轴卡住问题。

3)X、Y、Z各方向移动更有效率。

4)简化组装。

5)方便更换打印头。

6)更轻,便于移动。

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图2-4 Mendel(Reprap第2代产品)

阿德里安的学生Prusa改进了原始孟德尔机型,在2010年发布了Prusa Mendel(Reprap的第3代产品,如图2-5所示),然后又继续改进,发布了基本类似的Prusa Mendel i1、Prusa Mendel i2版本。Prusa Mendel是对原始Mendel的修改,简化了设计,更容易安装、修改、打印及修理。

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图2-5 Prusa Mendel(Reprap的第3代产品)

Huxley(Reprap的第3代产品,如图2-6所示)这款3D打印机是原始Mendel 3D打印机的小尺寸版,所以也叫Mini Mendel。

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图2-6 Huxley(Reprap的第3代产品)

阿德里安任教期满后创办了ReprapPro公司,继续研发Reprap 3D打印机,把Mendel发展成Mono Mendel和TriColor Mendel。Mono Mendel支持单色打印,而TriColor Mendel支持3色打印, Mono Mendel可以升级为TriColor Mendel。

框架结构的Mendel 3D打印机有X轴方向抖动的缺陷,Prusa重新设计了一个框架来解决这个问题,Prusa Mendel i3就诞生了。Prusa Mendel i3的框架可以是亚克力、铝合金的激光切割件,也可以是木盒,因为安装简捷,比原始Mendel美观,又解决了X轴抖动问题,很快,这款机型变得非常流行。

在这期间最重要的一个分支为MakerBot 3D打印机。团队成员在最早研究Reprap 3D打印机时,突发奇想为什么不把Reprap 3D打印机放到一个盒子里面呢,于是就诞生了盒式的MakerBot 3D打印机。之后,他们创办了MakerBot公司,并且基于Reprap Darwin研制了第一台盒式3D打印机CupCake CNC。由于销量不错,2010年他们又研制了Thing-O-Matic盒式3D打印机。

2010年,荷兰的3位年轻创客Siert Wijnia、Martijn Elserman和Erik De Bruijn在Fablab实验室相遇,他们各自研究Reprap Darwin有一段时间了,他们开始合作和研发一款盒式Reprap 3D打印机,后来命名为Ultimaker,并于2011年开始发售,如图2-7所示。Ultimaker有更轻的身材、更快的速度,成为一款广受好评的3D打印机,影响力不亚于MakeBot系列。更难能可贵的是,他们继续走开源路线,而不像MakeBot因为商业利益转向闭源。

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图2-7 Ultimaker 3D打印机

2013年底,阿德里安所在的ReprapPro公司最新发布了Ormerod 3D打印机,这款打印机以昆虫学家Eleanor Anne Ormerod命名。相比于Reprap Mendel和Reprap Huxley,Ormerod 3D打印机外观简洁,安装容易,支持红外测距,解决了复杂的Z平台调整问题,同时使用新的控制板包含网口并支持Web控制打印。成型体积达到20cm×20cm×20cm,有不接触平台的红外调平功能,可以非常容易地替换加热头,适合不同的打印场景。同时,可以升级挤出机和加热头,并最多支持三头打印。

还有一个重要的分支是三角式的3D打印机,受Mendel 3D打印机的影响,Helium Frog想研制一种并联式3D打印机,他制作了初始的并联3D打印机原型并进行软硬件的验证,称其为“Helium Frog Delta Robot”,设想把机器人式运动方式引入到Reprap 3D打印机中,如图2-8所示。

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图2-8 Helium Frog Delta Robot 3D打印机

2012年,家住德国罗斯托克(Rostock)的Johann依据Helium Frog的设计研发了一款并联式3D打印机,并以家乡的名字命名这款3D打印机,称其为Rostock,如图2-9所示。

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图2-9 Rostock 3D打印机

Johann继续改进并联式3D打印机,同年发布了Kossel并联式3D打印机。这款打印机解决了Rostock机型同步带抖动的问题,精度更高,性能更好。经过了几代的改进,从最早的“Helium Frog Delta Robot”“Rostock”逐步到最新最酷的Kossel 3D打印机。

2.1.2 工作原理

Reprap 3D打印机的主要原理是采用熔融沉积成型法(FDM)工作的。FDM的工艺特点在第1章中有所描述,原理如下：加热喷头在打印机的控制下,根据产品零件的截面轮廓信息作X-Y平面运动,热熔性丝状材料由送丝机构送至热熔喷头,并在喷头中加热和熔化成半液态,然后被喷嘴挤压出来,有选择性地涂覆在工作平台上,快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台在Z方向下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层“画出”截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品工件,如图2-10所示。图2-11为FDM 3D打印机熔融沉积成型。

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图2-10 FDM 3D打印机工作原理

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图2-11 FDM 3D打印机熔融沉积成型

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