本文摘譯自3dprinterprices的文章"How to Build a 3D Printer: Getting Started Guide and Tips"

 

恭喜,你決定組建自己的3D印表機!組建3D印表機的過程會讓許多人卻步,特別是市面上的選擇多到讓人眼花繚亂的今天。本文將比較不同的設計與零件,並提供建構上的一些訣竅,希望能夠幫助你在組建印表機的時候,具有必要的知識及工具。

 

讓我們開始吧!

 

當你決定組建印表機之後,首要之務是確定你要組建那種印表機。本文假設你要組建的是具有3個軸的FDM或塑料積聚型(plastic deposition type)印表機,但即使已經有這個最基礎的決定,你仍然需要從許多外框及構形中選擇你的需求。讓我們從3D印表機最常使用的兩個不同的座標系統(即Cartesian 與Delta)做說明,以下是簡要的比較。

 

笛卡耳式印表機(Cartesian-based printers)

這是市面上最常見的印表機種類,它包含3個垂直軸,並且列印區域呈矩形。典型的設計是兩個軸控制壓出器,第三個軸控制列印床,但是也有一些變化。

 

笛卡耳式印表機的特性如下:

最容易組建及程式化

最常見的座標系統

三個軸的解析度恆定

矩形列印區

需要至少三個馬達

 

三角洲式印表機(Delta printers)

這種印表機沒有笛卡耳式印表機來得普遍,它是由連結至壓出器的三個平行軸組成,並有靜態、圓形的列印床。

 

三角洲式印表機的特性如下:

組建及程式化略微困難

圓柱形列印體積

需要至少三個馬達

物件整體的解析度不一樣,外緣解析度較高,中心部分解析度較低

適合列印大型物件

 

對桌上型印表機而言,笛卡耳式印表機通常是較佳的選擇,因為它較為堅實,並且同尺寸的印表機,笛卡耳式的列印體積也比三角洲式來得大。當印表機變大時,三角洲式印表機就有經濟效益,大部分建築物尺寸的印表機(building-sized printers)都是三角洲式,因為它需要的外框比笛卡耳式來得少。

 

外框(frame)

下一步是印表機的外框。外框決定印表機的列印尺寸、堅固度及花費、看起來的樣子。以下是幾個常見的外框材料,以及使用這些材料的印表機,各種材料以價格高低、組裝難易度、強度、後續擴充能力進行評比。

 

螺桿(threaded rod)

螺桿因為便宜且在五金行或網路很容易買到,所以在早期的reprap設計中極為常見,其通常是鋼結構,1/4吋(M6)螺桿做為外框大致夠堅固。螺桿通常是用3D列印或雷射切割的零件固定。確認每樣東西都鎖的穩固是螺桿面臨的挑戰之一,因為印表機的震動會讓接點及螺絲隨著時間而鬆脫,雖然使用螺絲固定劑(Lactite)是解決方案之一,但是會讓後續的修飾難以施行。現今大部分的印表機僅在Z軸使用螺桿,而非使用於外框,Prusa Mendel印表機的i1及i2系列是螺桿外框的實例。

花費:2/5

組裝難易度:1/5

強度:5/5

樣式(modability):3/5

 

鋁材(aluminum extrusions)(80-20)

鋁材有時候稱為80-20,它比螺桿來得貴,但組建容易的多。使用於印表機外框的鋁材具有正方形截面,兩側有t-型槽(t-slot)可用t-型螺帽及一般的螺栓來架設零件,鋁材的組裝很簡單,只要將3D列印或雷射切割的零件鎖上去即可。以鋁材組建的外框質輕且強固,且擴充性強,只要增加t-型螺帽,就可以在印表機上增加新的零件。鋁材最大的缺點是其成本較高,其長度必須訂製或者以固定的長度提供作為印表機的零件。MendelMax系列印表機是鋁材外框的實例,鋁材的顏色也很有限,常見的是銀色及黑色,少部分是金黃色。

 

花費:5/5

組裝難易度:4/5

強度:5/5

樣式(modability):4/5

 

雷射切割的合板(laser-cut plywood)

雷射切割機是另一種快速原型化技術,可用來切割便宜的材料(例如合板)作為外框。合板外框便宜且容易處理,組裝合板外框就像將幾片拼圖拼起來一樣簡單,因為鎖零件及螺帽的溝槽及孔洞已預先以雷射切割好了,如果要增加額外的零件就必須以手工具處理。合板外框可以在網路訂購,如果你家附近的機械廠有雷射切割機,並且你也可以在網路找到模版(template),那麼你也可以自行切割。合板最大的缺點是其在高濕環境及重機械負載下,時間一長就可能產生捲翹,對大部分3D印表機而言,通常不會發生此一情況。3D印表機通常使用1/8-1/4吋的合板就已足夠,但要確認合板是平整的。像original UltimakerPrintrbotFlashforge Creator等三款印表機都是使用合板外框。

 

花費:1/5

組裝難易度:5/5

強度:3/5

樣式(modability):2/5

 

雷射切割壓克力板(laser-cut acrylic)

合板不是建造印表機外框的唯一雷射切割材料,壓克力板是可以雷射切割成拼圖片零件的另一種便宜的選擇。就像合板一樣,壓克力很容易取得及切割,它不像合板容易捲翹,但有易於刮傷的問題。壓克力有很多顏色,並且常和其他材料一起使用作為接點,以取代3D列印零件,壓克力和合板一樣,可以用手工具進行後續修飾,但其加工的痕跡會和雷射切割不同。同時要注意壓克力破裂時會粉碎,這對正常使用情況下的3D印表機來說,不是問題,多款Prusa i3印表機是使用壓克力外框。

 

花費:2/5

組裝難易度:5/5

強度:4/5

樣式(modability):1/5

 

水刀切割(water jet-cut)及其他材料

水刀切割的金屬(例如鋼及鋁)也是商用印表機常見的外框材料,水刀切割機和雷射切割機的工作原理類似,也是切出類拼圖的零件。以水刀切割機製作客製化零件要比用雷射切割機來的貴,因為水刀大多用於切割較貴的金屬材料,而雷射可切割多種材料。金屬外框如果不經過機械處理,則後續很難加以修飾,手工具只能處理薄的金屬板。部分Prusa i3系列印表機的Z軸使用水刀切割的鋁板,而許多商用印表機使用金屬外框,例如Printrbot Metal、Lulzbot MiniWanhou Duplicator i3

 

花費:5/5

組裝難易度:5/5

強度:5/5

樣式(modability):1/5

 

3D列印的零件(3D printed parts)

你也許聽過3D印表機可以列印出更多的3D印表機,這些列印出來的零件通常是作為螺桿或鋁材的角落接點,以及馬達座與壓出器組件。裝配於外框的零件以PLAABS為最佳,但壓出器就不宜使用PLA材料的零件,因為熱會讓它捲翹。3D列印的零件便宜,並且當磨耗時也容易更換(因為你自己可以隨時列印零件更換或備用)。1磅的塑膠線材已足夠3D印表機的零件使用,如果你可以在附近的店鋪或朋友處借到3D印表機,你只要付材料的錢,就可以取得需要的零件。如果你無法借到印表機,網路上有許多資源可以讓你訂購客製化的3D列印零件或套組,但是價格比較貴。如果你有可以列印的3D檔案,那事情就變得更容易,你可以自行客製化,並且有各種顏色的塑料可以選。

 

花費:2/5

組裝難易度:5/5

強度:3/5

樣式(modability):5/5

 

3D印表機的韌體

外框如果沒有韌體將其和機械組件固定在一起,以導引或幫助移動,那也沒用,以下是一些基本的韌體及與其有關的訣竅。

 

螺桿(threaded rod)

螺桿通常用於印表機Z軸的移動,它可以達成非常準確的定位,但速度極慢,因此不適合用於X軸及Y軸。三角洲式印表機(delta printers)因為速度的考量,其通常不用螺桿。為了保持安定性,印表機通常使用兩根螺桿,因為螺桿本身有很多種材料可供選擇,在此就不贅言,僅說明幾個重點:為了得到良好的列印品質,螺桿要保持清潔且無損傷;每單位長度(吋或毫米)的螺紋數愈多,該軸的解析度就愈好,但移動會愈慢。

 

線棒(linear rod)

線棒是印表機另一個重要的組件,它非常直且平滑,通常是由鋼製成,用以界定及支撐各軸。線棒可以視為軌道,通常每個軸使用兩根,為了使印表機運作順暢,必須確認線棒是耐腐蝕材質,並且不會因為搭配使用的軸承及軸襯而磨損。大部分的印表機使用M8及M10尺寸的線棒,三角洲式印表機(delta printers)需要額外的線棒作為臂(arm),它們不需要像軸棒一樣光滑,但還是要有相同的長度及堅固度。

 

軸承及軸襯(bearings and bushings)

軸承及軸襯是讓印表機保持移動順暢的零件,它們是靠其移動零件在線棒上移動,軸襯需要潤滑並且容易沾染灰塵及磨損,如何選用完全看個人需求及預算。

 

皮帶及滑輪(belts and pulley)

皮帶是用來驅動軸向的移動,例如笛卡耳式印表機的X軸及Y軸,三角洲式印表機的三個軸。皮帶受到拉力時不應伸長,並且應該和連結至驅動馬達的滑輪充分匹配。

 

螺絲、螺帽、墊圈及其他扣件

印表機不會自己固定在一起,需要螺絲及螺帽防止崩塌。許多印表機使用各式各樣的扣件,確認每個零件都能匹配。

 

散熱器(heatsink)

印表機會發熱,熱不但來自加熱元件,當校正不當時,馬達及控制板也會發熱,如果放任不管,將會損傷組件,並且要花錢更換。散熱器可以降低積聚在零件中的熱量,馬達通常不需要散熱器,但馬達驅動器就一定需要個別的散熱器。許多控制板附有散熱器,選購的時候可以留意。

 

列印床(print bed)

毫無疑問,列印床和熱端(hot end)同樣重要,因為它是印物誕生的地方。為了得到最佳的列印品質,列印床必須平整,印物附著的表面也非常重要,許多人使用kapton膠帶或藍色膠帶(blue painter's type),它們可以提供良好的列印面,並且只要黏到列印床即可使用。常見的列印床材料有鋁或硼矽玻璃,它們可以將熱均勻地分配至列印床且材質堅硬而平整,非加熱式列印床也有用厚的合板及壓克力,因其便宜且易於切割。為了得到最佳的列印結果,加熱式硼矽玻璃列印床噴上髮雕(hair spray),可以提供堅固的底層。

 

電子組件

印表機除了外框及硬體之外,還有許多控制移動、加熱、甚至發光的電子組件。以下針對一些關鍵組件做說明,讓你更瞭解如何組建印表機。

 

熱端(hot end)

熱端是印表機最重要的組件之一,它決定或影響你可以列印的塑膠種類、所用線材的尺寸、印表機加熱的時間、最大的層厚度、列印速度等。選購熱端的時候,要注意以下:

 

你想用什麼材料印:如果你只印PLA及ABS,那一般的熱端就夠用了,如果你想要列印熔點較高的塑膠,那就需要全金屬材質的熱端,選購的時候看一下熱端可以耐受的溫度。

 

噴嘴(nozzle):大部分的熱端使用可以旋入的噴嘴,當其磨耗或者要改變噴嘴直徑的時候,就可以方便地更換。

 

壓出器座(mount):你選擇的熱端將會決定壓出器座的樣子,makergear v3所用的座,和E3D或Hexagon所用的座在材質及形狀上都不同,選擇的時候要注意其功能。

 

線材尺寸(filament size):目前最火熱的是1.75 mm,但3.0 mm也很常見。

 

加熱床(heated bed)

如果你只印PLA,那就不需要加熱床,但其他塑料通常都需要加熱床。選購加熱床的時候,要確認它的大小和列印面積一樣,以確保整體均勻的加熱。同時也要確認加熱床必須和熱端及電源具有相同的電壓,除了尺寸之外,加熱床也是印表機最耗電的組件,所以它也決定電源的大小。和加熱床有關的另一個好用的東西是幫助分散熱量的薄鋁板,另外,玻璃也可以,但傳熱沒那麼快。

 

希望這篇文章能夠提供你有關如何組建3D印表機的基本知識,在這條路上你會遇到很多挑戰,但最後你會發現這是值得的。不論你的夢是大是小,或者只是對這個新科技充滿好奇,衷心希望你的3D印表機組建順利。

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