可實(shí)現(xiàn)無支撐打印,，開源4軸桌面3D打印機(jī)ROTBOT

導(dǎo)讀：3D打印機(jī)可以用來制造各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，但是當(dāng)使用FDM 3D打印機(jī)打印一些懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)，如果不加支撐,，則在懸空處會(huì)出現(xiàn)下垂,，導(dǎo)致糟糕的表面光潔度和幾何偏差，甚至還有可能打印失敗,。如果打印支撐結(jié)構(gòu),，那么它需要更長(zhǎng)的打印時(shí)間，并且浪費(fèi)材料,。

最近,，瑞士溫特圖爾的應(yīng)用科學(xué)大學(xué)開了一款名為RotBot的3D打印機(jī)，它是一臺(tái)經(jīng)過改進(jìn)的 Prusa MK3,，帶有一個(gè) DUET 控制板,，它有一個(gè)完全可旋轉(zhuǎn)的 45° 傾斜打印頭，能夠在沒有任何支撐的情況下打印懸垂的結(jié)構(gòu),。

Michael Wüthrich 是大學(xué)的講師之一,，他和他的團(tuán)隊(duì)一起建造了 RotBot。這臺(tái)機(jī)器展示了真正的多軸打印的外觀和使用它可以實(shí)現(xiàn)的效果,，而且工具頭的設(shè)計(jì)文件作為用于切片的腳本,，是完全開源的。

RotBot 打印零件

RotBot 并不是他們第一次嘗試多軸 3D 打印,，因?yàn)镸ichael的前任 Elspass 教授和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建造了一個(gè)復(fù)雜的6 軸 delta 打印機(jī)稱為 MaxBot,，用于類似的工作。RotBot 明顯更簡(jiǎn)單,，它的核心是帶有 45° 噴嘴的可旋轉(zhuǎn)打印頭,。頂部有一個(gè) E3D Hemera 擠出機(jī)，它將通過具有空心軸的步進(jìn)電機(jī)引導(dǎo)的絲材送入滑環(huán),，滑環(huán)使所有線材不會(huì)纏結(jié),，從而可以完全自由旋轉(zhuǎn)熱端和它也作為一個(gè)額外的軸承。然后是稍微修改的 V6 散熱器和 45° 加熱塊和噴嘴,，這基本上是這個(gè)版本中唯一真正的定制的部分,。他們選擇了 DUET 控制板，控制板易于配置,，并且確實(shí)為第 4 運(yùn)動(dòng)軸配備了額外的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,。為了增加間隙，他們不得不去掉熱床傳感器,，它現(xiàn)在用于歸位旋轉(zhuǎn)軸,，以及一個(gè)簡(jiǎn)單的微動(dòng)開關(guān)歸位 z。

△RotBot 工具頭的剖面圖

然而,，硬件只是一部分,，也是多軸非平面 3D 打印中最容易的部分,。超過 3 軸 CNC 在制造業(yè)中非常普遍，多軸機(jī)械臂也比以往任何時(shí)候都更實(shí)惠,。但沒有大量軟件可用于多軸非平面3D打印機(jī),。這也是非平面和/或多軸打印沒有取得突破的原因之一。切片軟件和切片方法是挑戰(zhàn),，而不是硬件,！

Michael 和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的切片方法非常簡(jiǎn)單，但很有效,，希望在某個(gè)時(shí)候?qū)⑺�用于常見的切片軟��,。使用常見�?FDM 3D 打印切片軟件，您可以在 +-45° 的區(qū)間內(nèi)打印懸垂部分,。具有傾斜噴嘴的打印機(jī)可以打印傾斜 0°-90°的結(jié)構(gòu),，這就是 RotBot 改進(jìn)的地方。憑借旋轉(zhuǎn)的打印頭,，它可以到達(dá)零件周圍并將窗口增加到大約 +-90°,，這允許在所有側(cè)面完全懸垂結(jié)構(gòu)并且沒有任何支撐，因此名稱為“錐形切片”,。

錐形切片是用于為打印機(jī)生成 g 代碼的方法,，但他們并沒有編寫一個(gè)全新的切片軟件，而是簡(jiǎn)單地欺騙常規(guī)軟件生成路徑,，然后用一些 python 腳本修改代碼。我過去聽說過這種方法,，并且下面也鏈接的論文很好地說明了這種方法,。有三個(gè)步驟：STL 文件的預(yù)變形，在常規(guī)切片器中對(duì)預(yù)變形的 STL 進(jìn)行切片,，并反向轉(zhuǎn)換 G 代碼,。

△錐形 GCode

首先，談?wù)勵(lì)A(yù)變形,。這樣做是為了以后可以欺騙常規(guī)切片軟件生成錐形 gcode,。為此，網(wǎng)格的所有點(diǎn)都在 z 方向上向上移動(dòng),，具體取決于它們與定義的旋轉(zhuǎn)軸的距離,。由于這可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的偽影，具體取決于零件的網(wǎng)格細(xì)度,，python 腳本還可以細(xì)化網(wǎng)格以使最終結(jié)果更平滑,。此過程導(dǎo)致 RotBot 噴嘴的 45° 角處出現(xiàn)圓錐形變形部分。然后將變形的部分帶回切片器,，并生成常規(guī) Gcode,。不得不將 Simplify3D 與當(dāng)前版本的腳本一起使用,，因?yàn)樗�似乎使用切片器為背部變形注入的一些注釋，但這可能很容易修復(fù),。然后這個(gè)變形部分的 GCode 被重新轉(zhuǎn)換,，這與我們一開始對(duì) STL 所做的相反的過程。因此,，所有 GCode 點(diǎn)都會(huì)根據(jù)它們到中心軸的距離再次向下移動(dòng),。有一些邊緣情況需要考慮，例如較長(zhǎng)的線性移動(dòng),，這會(huì)導(dǎo)致已打印部件的崩潰或需要稍微調(diào)整的流速,。

如果您想了解更多詳細(xì)信息，強(qiáng)烈建議您仔細(xì)查看有關(guān)此方法的論文,。這為您留下了漂亮的非平面 Gcode,，其中打印移動(dòng)不在一層上，而是逐層構(gòu)建,。這種方法的另一個(gè)好處是,，這些層現(xiàn)在像煤渣塊一樣交錯(cuò)排列。

△類似煤渣塊的交錯(cuò)層

如果您理解錐形切片是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的過程,，并且如果您的噴嘴周圍有足夠的間隙,，您甚至可以在普通 3D 打印機(jī)上打印此 Gcode，因?yàn)檫@些只是簡(jiǎn)單的非平面打印動(dòng)作,。我實(shí)際上想更深入地研究用于常規(guī) 3 軸打印機(jī)的這種錐形切片方法,，因?yàn)樵撃_本有一個(gè)稍微修改過的版本，可以讓您以更淺的角度切片,，因此可能是打印無支撐懸垂的好方法,。

△在常規(guī) FDM 打印機(jī)上進(jìn)行錐形打印

然而，RotBot 的突出特點(diǎn)是它的第 4 軸和 45° 角噴嘴,。即使您可以在普通打印機(jī)上打印此錐形 GCode,，但當(dāng)噴嘴開始越來越多地以更陡峭的角度拖過它自己的擠出材料時(shí)，您很快就會(huì)遇到擠出問題,。使用 RotBot 的傾斜噴嘴,，您可以忽略此問題，因?yàn)槟�可以確保始終垂直于層和擠出線,。這種額外的自由度導(dǎo)致 Gcode 不僅參考 X,、Y 和 Z 坐標(biāo)，還添加了一個(gè) U 值,，即第 4 軸的角度,。

所有這些都導(dǎo)致了這些漂亮的非平面打印移動(dòng)，其中打印機(jī)的所有 4 個(gè)軸同時(shí)移動(dòng),。印花總是從圓錐軸的中心開始,，然后慢慢向外向上生長(zhǎng),。RotBot 可以在沒有任何支撐材料的情況下打印完全水平的懸垂，這開辟了相當(dāng)多的機(jī)會(huì),。

然而,，與往常一樣，技術(shù)也存在局限性和缺點(diǎn),，無論是錐形切片還是帶有 45° 角噴嘴的 RotBot,。錐形切片不是針對(duì)每個(gè)任意幾何形狀的切片方法。您可能已經(jīng)注意到,，到目前為止,，您看到的所有懸垂都朝外。錐形切片存在與笛卡爾和帶狀 FDM 切片相同的問題,。打印線不能在半空中開始,，所以如果你有朝內(nèi)的懸垂，你仍然需要支撐,。另一種方法是切割零件,，使零件的向內(nèi)部分被切割成向內(nèi)的圓錐而不是向外的圓錐。這已經(jīng)實(shí)現(xiàn),，但目前仍然是一個(gè)手動(dòng)過程,，將零件分割并將 Gcode 堆疊在一起以打印更復(fù)雜的零件，而無需支持,。

△錐形切片部分內(nèi)錐

這就是基本情況,，至少使用這種開源方法。RotBot 和錐形切片方法很好地展示了通過相對(duì)簡(jiǎn)單的打印機(jī)修改和超級(jí)智能但仍然簡(jiǎn)單的切片方法可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),。但是,，問題仍然存在，我們是否會(huì)在未來的某個(gè)時(shí)候看到這在商業(yè)機(jī)器中實(shí)現(xiàn),，或者當(dāng)前的機(jī)器是否足以勝任大多數(shù)任務(wù)。親眼看到 RotBot 打印零件是一次很棒的體驗(yàn),，我相信它會(huì)有很多應(yīng)用,。然而，我看到更大的創(chuàng)新是錐形切片方法,，在一定程度上,，它也可以用于您在家中可能擁有的傳統(tǒng)打印機(jī)上，并允許更多的設(shè)計(jì)自由度和更少的支撐結(jié)構(gòu)浪費(fèi),。

△一些圓錐切片示例

錐形切片可能是切片軟件的下一個(gè)重大創(chuàng)新,，但需要大量的工作和研究，以創(chuàng)建算法來自動(dòng)對(duì)錐形或傾斜切片區(qū)域中的零件以及其他可以定期打印的部分進(jìn)行切片,。如果您對(duì)這個(gè)主題感興趣,，還請(qǐng)務(wù)必查看 Rene Mueller 在xyzdims.com上的工作,，他在那里開發(fā)了這樣一個(gè)通用切片軟件。

△一些 Renes 在 XYZdims.com 工作

但是您如何看待 4 軸 RotBot 和錐形切片,？您是否只在小眾應(yīng)用程序中看到它,，或者您希望一種或什至兩者都可用于主流機(jī)器？

更多信息

RotBot 工具頭文件：https ://www.printables.com/model/288723-4-axis-modification-for-mk3s-with-rotational-print

錐形切片機(jī)：https ://github.com/RotBotSlicer/Transform

關(guān)于 RotBot 和錐形切片的論文：https ://www.mdpi.com/2076-3417/11/18/8760

Rene Mueller 的通用切片：https ://xyzdims.com