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3D打印機的結構通常都是根據(jù)打印材料、打印要求而設計，但是其具體的機械結構都是有理可尋的。不同的3D打印技術都有著不同的結構，但同為增材制造都是逐層制造，所以其原理類似。對于3D打印機結構的研究不單單針對某一種打印技術，而應該是通用的結構。通過對現(xiàn)有的3D打印機的結構進行總結分析，有助于進一步推動3D打印機的發(fā)展。

1、3D打印機以坐標系類型分類

常見的3D打印機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行定點定位，這時就需要利用坐標系來實現(xiàn)定位。而在3D打印機研究進展中，常見的不外乎為笛卡爾坐標系結構、極坐標系結構兩種。

笛卡爾坐標系結構是最常見的結構，是在各種3D打印技術上都是十分普遍的結構。其優(yōu)點在于結構簡單，方便制造，但其缺點也較明顯，由于采用直角坐標系，在進行弧面以及圓弧打印時，其只能通過圓弧插值的方法進行打印，就會導致打印精度較差，打印的圓弧面會有階梯狀的凸起。

常見的基于笛卡爾坐標系的3D打印機涉及X、Y、Z三個向的運動，而噴頭與打印平臺的運動方式可以歸納為3類：

（1）噴頭做X軸和Y軸方向的運動，打印平臺獨立做Z軸方向運動。該運動形式，噴頭較工作臺而言具有質量小、體積小等特點，適合高精度緊湊型3D打印機。但打印機噴頭在XY平面做復合運動會影響噴頭的正常出料，從而導致打印質量的下降。

（2）噴頭做X軸（或Y軸）和Z軸方向運動，打印平臺獨立做Y軸（或X軸）方向的運動。或者噴頭獨立做X軸（或Y軸）方向運動，工作臺做Y軸（或X軸）和Z軸方向的運動。這運動形式將Z軸與X軸（或 Y軸）結合進行復合運動，具有較小的運動慣量，且打印噴頭和工作平臺所需的運動空間較小，整體結構較為簡單，廣泛應用于小型家用3D打印機結構設計。 

（3）打印平臺作X軸和Y軸方向的復合運動，噴頭僅在Z軸方向獨立運動。該運動形式的打印機結構簡單緊湊，但對于Z軸運動控制精度要求較高，由打印平臺在XY平面的移動需要較大的空間，且工作臺質量較大，不能用于較快速度的打印。

極坐標系結構則是在平面內由極點、極軸和極徑組成的坐標系，由于其原理的特殊性，所以其打印結構可以簡化，從而使其運行安靜，外形別致，把復雜機械結構完成的動作都交給軟件端來完成，盡量保持機械結構的簡單。

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

極坐標系（左）與直角坐標系（右）3D打印機

2、3D打印機以外觀結構分類

目前極光創(chuàng)新商用3D打印機的外觀結構主要有三角型結構、矩形桿式結構、矩形盒式結構、并聯(lián)臂結構這四類，不同的結構有著各自的特點以及使用場景，如下圖所示。

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

不同外形結構的3D打印機

三角型結構是以三角形框架組成，框架呈屋頂形，外觀結構小巧，結構簡單，由于其結構優(yōu)勢，打印噴頭在支架中樣沿X、Z軸運動，在Y軸方向可以伸出較遠，增加了Y軸方向的打印尺寸。而其缺點在于機體的制作精度較低，通常只能達到mm級，在打印時打印物體隨熱床在Y軸前后移動容易導致黏附不牢。

矩形桿式結構是一個立方體結構，通常由桿件與固定件搭建成框架結構，打印噴頭安裝在框架內部與工作平臺進行運動組合，完成三維立體的打印。矩形桿式結構不但能媲美盒式結構組裝精度，還同樣具有三角形結構簡單可靠的特點。但是其同樣具有打印過程抖動較大，容易產生較大的位置誤差，打印過程難以維持工作臺的水平。

矩形盒式結構是商業(yè)化最為普遍的形式，從整個3D打印的發(fā)展歷程來看，這種形式的機器也是發(fā)展較為完整的機器。整體安裝精度高，商業(yè)化的3D打印機通常都會采用這種結構。通常采用矩形盒式結構的FDM技術的3D打印機，內部多用同步帶結構，當打印速度過快時會產生較大的振動，影響打印精度。此種結構不只是FDM技術的3D打印機會采用，其他類型的打印技術也經常采用。

并聯(lián)臂結構是一種閉鏈機構，其中較為典型的并聯(lián)機構有Delta結構與Stewart結構，其中Delta結構是一種早先應用于機械臂的并聯(lián)式運動結構。其通常采用三分支并聯(lián)臂，根據(jù)各個分支在Z軸方向的運動，轉變?yōu)閲婎^在三維空間的運動，從而實現(xiàn)三維打印。

該種結構較簡單，而且打印精度高，打印速度快，缺點就在于需要大量的計算將各個分支的Z軸運動轉變?yōu)閲婎^的運動。該種結構具有優(yōu)良的性能，只是對軟件要求較高，在3D打印機領域具有重要的發(fā)展前景。

3D打印機都是通過打印平臺黏接固定打印零件，在Z軸方向逐層堆疊，從而形成三維立體結構。不管是FDM技術還是SLS技術的其成型原理一致，所以其大體結構存在相似性。

極光創(chuàng)新來告訴你：傳統(tǒng)的3D打印機都是由外部框架支撐，以電機為動力源，以同步帶或者絲桿等機構進行傳動，根據(jù)實際需求選擇噴頭與打印工作臺的運動形式，從而完成立體結構的打印。常見的光固化打印技術與選擇性激光燒結技術這類3D打印技術略有不同，其類型的3D打印機沒有噴頭，但有材料供給的機構，其機構原理類似與噴頭，都是將材料送至打印區(qū)域。

傳統(tǒng)的3D打印機，在日漸發(fā)展的3D打印中已經不能滿足打印需求，目前主流的3D打印機已經從之前的三自由度機構逐步向多自由度發(fā)展，3D打印機的噴頭機構也同樣在進行改變，從單口向多口發(fā)展。結構也不在局限于簡單的結構，目前已經有將5自由度的機械臂用于3D打印機，或者結合并聯(lián)結構增加工作平臺的自由度從而實現(xiàn)多自由的打印。