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無支撐打印！開源4軸桌面3D打印機ROTBOT

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最近，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，瑞士溫特圖爾的應用科學大學開了一款名為RotBot的3D打印機，它是一臺經(jīng)過改進的 Prusa MK3，帶有一個 DUET 控制板，它有一個完全可旋轉的 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構。Michael Wüthrich 是大學的講師之一，他和他的團隊一起建造了 RotBot。這臺機器展示了真正的多軸打印的外觀和使用它可以實現(xiàn)的效果，而且工具頭的設計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，因為Michael的前任 Elspass 教授和他的團隊已經(jīng)建造了一個復雜的6 軸 delta 打印機稱為 MaxBot，用于類似的工作。RotBot 明顯更簡單，它的核心是帶有 45° 噴嘴的可旋轉打印頭。頂部有一個 E3D Hemera 擠出機，它將通過具有空心軸的步進電機引導的絲材送入滑環(huán)，滑環(huán)使所有線材不會纏結，從而可以完全自由旋轉熱端和它也作為一個額外的軸承。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，并且確實為第 4 運動軸配備了額外的步進電機驅動器。為了增加間隙，他們不得不去掉熱床傳感器，它現(xiàn)在用于歸位旋轉軸，以及一個簡單的微動開關歸位 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，多軸機械臂也比以往任何時候都更實惠。但沒有大量軟件可用于多軸非平面3D打印機。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 和他的團隊開發(fā)的切片方法非常簡單，但很有效，希望在某個時候將它用于常見的切片軟件。使用常見的 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可以打印傾斜 0°-90°的結構，這就是 RotBot 改進的地方。憑借旋轉的打印頭，它可以到達零件周圍并將窗口增加到大約 +-90°，這允許在所有側面完全懸垂結構并且沒有任何支撐，因此名稱為“錐形切片”。

錐形切片是用于為打印機生成 g 代碼的方法，但他們并沒有編寫一個全新的切片軟件，而是簡單地欺騙常規(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。有三個步驟：STL 文件的預變形，在常規(guī)切片器中對預變形的 STL 進行切片，并反向轉換 G 代碼。

△錐形 GCode

首先，談談預變形。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)格的所有點都在 z 方向上向上移動，具體取決于它們與定義的旋轉軸的距離。由于這可能會導致嚴重的偽影，具體取決于零件的網(wǎng)格細度，python 腳本還可以細化網(wǎng)格以使最終結果更平滑。此過程導致 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 與當前版本的腳本一起使用，因為它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。然后這個變形部分的 GCode 被重新轉換，這與我們一開始對 STL 所做的相反的過程。因此，所有 GCode 點都會根據(jù)它們到中心軸的距離再次向下移動。有一些邊緣情況需要考慮，例如較長的線性移動，這會導致已打印部件的崩潰或需要稍微調整的流速。

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

△類似煤渣塊的交錯層

如果您理解錐形切片是一個非常簡單的過程，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 打印機上打印此 Gcode，因為這些只是簡單的非平面打印動作。我實際上想更深入地研究用于常規(guī) 3 軸打印機的這種錐形切片方法，因為該腳本有一個稍微修改過的版本，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 打印機上進行錐形打印

然而，RotBot 的突出特點是它的第 4 軸和 45° 角噴嘴。即使您可以在普通打印機上打印此錐形 GCode，但當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，您很快就會遇到擠出問題。使用 RotBot 的傾斜噴嘴，您可以忽略此問題，因為您可以確保始終垂直于層和擠出線。這種額外的自由度導致 Gcode 不僅參考 X、Y 和 Z 坐標，還添加了一個 U 值，即第 4 軸的角度。

所有這些都導致了這些漂亮的非平面打印移動，其中打印機的所有 4 個軸同時移動。印花總是從圓錐軸的中心開始，然后慢慢向外向上生長。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，這開辟了相當多的機會。

然而，與往常一樣，技術也存在局限性和缺點，無論是錐形切片還是帶有 45° 角噴嘴的 RotBot。錐形切片不是針對每個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)實現(xiàn)，但目前仍然是一個手動過程，將零件分割并將 Gcode 堆疊在一起以打印更復雜的零件，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簡單的打印機修改和超級智能但仍然簡單的切片方法可以實現(xiàn)的目標。但是，問題仍然存在，我們是否會在未來的某個時候看到這在商業(yè)機器中實現(xiàn)，或者當前的機器是否足以勝任大多數(shù)任務。親眼看到 RotBot 打印零件是一次很棒的體驗，我相信它會有很多應用。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)打印機上，并允許更多的設計自由度和更少的支撐結構浪費。

△一些圓錐切片示例

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