从零开始，给自己设计一台3D打印机

3D打印机已经火了好多年了，但是貌似身边玩或者应用到的朋友还是不多。一年前知道朋友的单位有一台当年非常有名气的 Makerbot Replicater 2X，当时的口水简直有如滔滔江水连绵不绝，可惜价钱也是摆在那里的高大上。
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在和朋友的不断交流中，还有谷歌（一个并不存在的搜索网站），得知3D打印机已经是开源的事情了，有强大易用的Arduino主板，以及强大的RepRap社区。看过马云家的各种成品打印机，心里对于DIY一台自己想要的机器的念头，也是开始长草了。趁着自己快生日了，家里女王大人也为了省事不用花心思（双子座的女王大人表示不耐处女座的我......）给我准备生日礼物，于是就准了我这个预算了 。
一开始时候，给自己定下的目标是，200*300*200（长宽高）的打印体积，还有双挤出头的设计。同样配置的产品在马云家搜索一下普遍都是4xxx-8xxx都有，更不包括MakerBot这种高大上的产品了。更坚定了我要打造属于自己的机器的决心。这篇分享，主要是解说一下自己的设计思路，具体细节的东西，在网上已经有很多的教程，还需要根据自己的需求以及预算来制定的。
一，机械，框架
二，控制电路，电气
三，买买买，组装，调试
四，现状
五，各种坑......
六，参考资料
七，结语




一，机械，框架

现在的3D打印机，主要就是2个大分支，基于Delta坐标系的联动臂结构，以及基于笛卡尔坐标的XYZ结构。前者的代表作有的Kossel/Rostock，至于XYZ笛卡尔坐标，有太多太多的分支了。有兴趣研究的值友可以到RepRap上面去了解，国内也有不少的论坛。由于Delta结构对于联动臂精度要求高，过高的机身容易造成扭动变形，被我否决了，还是喜欢XYZ结构那种方方正正的稳重感。
而框架以及结构，决定了机器整体的强度以及稳定性，在这一步我花了几乎2个月的时间（空闲的时间，毕竟还是要工作的人啊....），和朋友不断地交流以及上网查找资料，修改自己的设计。
一开始的想法，就是参考比较目前比较流行 RepRap Prusa i3的结构。

但是对于一个追求完（ku）美（bi）的处女座来说，亚克力框架的强度要应付 2套挤出机构（挤出头，加热部分，步进马达，在800g上下）的重量，感觉还是有点力不从心，最后选择了便宜又大碗的铝型材。

但是才做完这第一版的图没多久，心里又变化了，既然都做这么大了，为什么不做一个完整的框架，以强度来打算，以后甚至可以做到简易的铣床啊（事实证明我想太多了）。于是，又乘着空余时间，又做第二版的设计 。
这是最基本的XYZ结构，但是最大的顾虑是，打印平台要承受了2套挤出结构，以及XY其中一轴的步进电机，总体的移动重量（超过1KG了）比较高，考虑到惯性，不利于打印头的快速移动。于是一直在围绕这个版本做减重设计。

某一天，在RepRap论坛上继续找灵感的时候，发现了一种新的移动结构， CoreXY，以及衍生的扭转90度的CoreXY Respin。它的原理是通过两个电机同时控制XY的移动，左右两个电机同向的时候，往X轴移动，两个电机反向的时候往Y轴移动。2个电机的同时作用，力量比单个电机控制一轴来得要稳定，还能减少了XY平台上面一个电机的重量。

CoreXY Respin也是在RepRap论坛上找到的一种CoreXY的变种，关键在于把两个电机的位置和XY左边相对地调整了90度。对于我这个200*300打印面积的大箱子，实在节省了不少空间。

于是，改改改改改的（甲方你别跑，我保证不打死你 ），第三版又出来了......由于要考虑两个挤出头的输出空间，以及以后可能加上去的自动平床或者其他古怪东西，整个框架做到了550*550的投影面积，底部一圈用的加宽的2060铝型材，而且考虑到2020铝型材可能会晃动，框架三边都加了45度的加强支撑。



然后不断地推敲修改，忐忑得一直下不定决心把这个作为定稿。后来跟一个做家具设计的朋友聊了一下，得到的建议是 “做！果断做！既然有稿子有基调了，就先做出来，一边做一边改进，没有产品一出来就是完美的。”。 果然KuBi的处女座都是龟毛星人 ......
二，控制电路，电气部分
在成熟的开源环境，控制电路部分已经不是什么难度了。基于Arduino的RAMPS（扩展板）也在国人强大的生产能力下，成本降到1xx就一整套了。核心部分毫无难度就解决了。
核心的电路控制部分，我个人推荐用  创客基地 的 MKS2560 套件（这真的不是广告），我的考虑如下：

• 要套件，Arduino+RAMPS，还有电机的驱动模块一起解决。
  
• MKS 2560 属于 Arduino 2560的改进版，相对于公版添加了自恢复保险丝，不怕接错线烧板子。（就在我装机器的那天，朋友告诉我他的公版 2560 因为短路冒烟了......）
  
• MKS 2560 直接通过 RAMPS 主板对Arduino供电，不用电脑进行脱机打印的时候，不用考虑独立给Arduino主板的5V供电。
  
• 不选择Melzi或者Rumba之类的一体主板，是因为要考虑到以后要是升级运算能力提高了的Arduino DUE + RAMPS-FD ，那么现在这套件至少还能把Arduino部分拆出来独立地做其他功能。
  

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步进电机的选择，考虑到XY轴要承受比较大的动力，选择了48mm的NEMA17步进电机。至于Z轴，更多考虑的是静置力矩，电流相对较大的42mm的NEMA17步进电机足够。挤出结构的步进电机由于要考虑重量问题，也只好选择42mm的NEMA17步进电机了。
供电也是一个需要考虑的问题，主要是热床需求的功率不小。由于我用的是比一般（大部分在售）的尺寸更大的200*300mm热床，一般电脑用的250W开关电源（是的，我为了节省，直接从仓库里面的P4年代的台式机上拆的），一接线就马上自动过载保护了，只好另外准备了一只350w的12V开关电源来伺候。
三，买买买，组装，调试
设计稿之后，就是最爽的买买买剁手过程了，少不免的货比三家，或者看看哪家能一站式采购的。
首先在设计的时候，尽可能把细节的零件都做出来，然后可以生成BOM表（这是一个好习惯），按着表买东西就是了。这是我自己的BOM表的一部分，从零件名称代号到尺寸，以及什么规格的螺母螺丝，都有尽可能详细的数据。虽然做好机器之后还是因为要不断地修改，不断地买买买买各种螺丝轴承的小东西，但因为有了BOM表，至少我在第一轮采购的时候就没有漏买过哪怕一颗螺丝的。

在马云家有不少店都提供了3D打印件的一站式采购。搜索 关键字 “3D 打印 E3D” 销量排头的那几家基本上都能把需要的东西买到的。除非是一些奇怪尺寸或者特殊材料的东西，例如碳纤维连动臂之类的，这些就需要自己去爬论坛爬马云家了。
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螺丝、铝型材在马云家也有不少店，分别用关键字 “2020 铝型材” “内六角 螺丝” 之类的，也是按销量排，基本上天猫的都靠谱。
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特别要说的是铝型材，就别想省那个钱自己切了，天猫里面各种专业店，无论直切斜切开孔的，只要你能给尺寸图纸，他们都能做，而且切面也很光洁没有毛刺的，误差也非常的小。我个人觉得，能用钱（合理的价钱）解决得非常好的事情，干脆就外包出去给专业的吧， 。
其实组装调试的，到这里已经没什么难度了，因为在做设计稿的时候，很多尺寸数据已经定好了。材料到了之后，就像拼Lego一样照着自己的设计稿拧螺丝吧，然后心里就哗哗哗地长草要买电动工具了（拜读 Fractal1 大神的系列作品，工具控的剧毒）......
关于固件的设定，步进电机电流调整，温度控制，调平的，各种细节的调试，基本上每一项都可以新开一篇经验文章，但是对于我这种写作苦手，还是建议使用强大的谷歌（再一次出现不存在的网站）。




四，现状

这就是我的成品目前的状态，还有好多细节需要改善，例如第二挤出机构要把步进电机脱开，改造成通过软轴传动的齿轮箱结构，以及最头疼的线缆整理。
一片混乱的桌面，各种工具都放在顺手（其实就是懒）的位置....

使用中的第一挤出机构

暂时空着的挤出第二挤出机构，等待自己的齿轮箱设计。

所有Endstop开关都是用光电式的，保证了准确度。
、
核心的Arduino以及RAMPS扩展板，混乱的线缆还没整理，已经打印好安装底座，但是还需要解决挤出机构的加热器的连线长度（图中比较粗的4条红线）。

双电源，右边的台式机开关电源负责主板、挤出头加热、风扇、步进电机的供电，左边的350W 12V电源独立负责热床供电。

CoreXY的其中一条传动轴，用轴承同心设计，上下两条皮带可自由活动而不会互相影响。鱼尾夹也是一种好工具......

从下往上看的挤出头， 使用的是E3D的结构，加强了散热，减低堵头的几率。

风扇没有用常见的方式直接固定到散热片上，只是用了3M VHB双面胶贴到支架上去，为的就是防止风扇震动影响到打印头。

背后的材料架子，直接一根光轴架上去，不用另外做支架了，偷懒了


还在试验中的蜗轮箱，比一个42MM的步进电机轻了一半有多，减重利器。




最近的工作状态，由于空间狭小，就只能用手机拍得渣渣的视频了。看着机器一层层地把东西“叠”出来，还是有仲莫名的成就感的。






五，各种坑......


也不算是坑吧，只是分享自己的经验以及走的弯路，这些都不是调整可以解决的问题......

• 学习！学习！学习！ - 这是最最最重要的。为什么是从零开始，就是因为一开始，我自己对于3D打印机的世界也是0了解，大概也就知道FDM的基本原理。通过谷歌（怎么老提这个不存在的网站 ），参考国外的图片以及成品的结构，以及用自己有限的英文阅读能力看RepRap上面的各种讨论各种对比，当然还有国内（包括港澳台）的中文资料，才能达到概念以及细节的理解，整个打印机的基础工作原理尽在心中。然后凭着自己大学时候学下的以及还没有还给老师的机械知识，设计出自己的机械框架。其中还自学了Autodesk 的 Inventor，基本的建模以及组装功能就已经够用了。（其实是大学的ProE、SW全忘记了，而且Autodesk还有3年的学生授权可以免费试用完整版本，装下学生混3年授权吧 ）  
  
  
  
• 方向！方向！方向！ - 设计的时候必须决定要要什么的结构，切忌朝三暮四的。每种结构都有其自身的优点以及缺点。例如Delta结构的Kossel/Rostock的快但是过高的机身引起的扭动，还是传统的XYZ结构稳定但是速度快（相对Delta）不起来。要做多大，要做多坚固。例如：Prusa I3的尺寸以及亚克力结构可以很经济，但是也决定了无法做大做快（常规情况下）。
  
• 设计时候的细节！细节！细节！ - 在设计时候尽可能把细节都了解了，并且在设计软件里面都做出来。特别是BOM表，对于后期的材料采购是非常有用的。尤其是对于不同部件用的不同类型、直径、长度的螺丝，我这台机器第一次采购的时候总共有约56种（不知不觉就这么多了 ）不同的螺母螺丝，总不能靠自己脑补记录吧.....
  
• 线缆长度 - 一般市售的材料，主要考虑都是200*200的Prusa结构机器，线缆长度只会是相对小型Prusa预留的长度。因为自己的框架太大了，550*550mm的面积，线缆长度的问题就出现了，无论挤出头机构（加热、温感、电机）还是热床本身，都必须加长线缆。
  
• 轴承的预紧力 - 当初天真的以为8mm内径的轴承就可以装上8mm的光轴，结果发现还有预紧力这个东西，同尺寸的轴承都需要用各种手段加热造成轻微的“热胀”才可以套进光轴，但是一旦套进去了，要调整位置，或者要拆出来的话就麻烦了，总不成整条轴放到火上烤吧......
  
• 材料的质量 - 某宝上的PLA已经是满地都有，但是不同的店的质量还是有偏差。劣质的耗材会有杂质、气泡、不均匀的，最终会导致挤出不顺畅，甚至会堵塞挤出头。我第一卷买的耗材，以上的问题都遇上了，差点把我一个打印头废了 ......
  
• 必要的散热 - 大部分堵头，除了因为材料本身，最大的原因是因为材料在不恰当的地方受热膨胀但又不到熔点，然后就......堵了啦。所以除了在最终端的喷头部分，以及热床本身之外，散热是很有必要的，具体请参考下面的Blogspot的文章，当然是要科学上网的......
  
  
  

六，各种参考

主要设计软件：Autodesk Inventor
RepRap开源Wiki：链接
CoreXY结构原理: 链接1、链接2
台湾的Blogspot（链接），里面有很多关于3D打印机安装使用中要注意的地方，老实说，比国内能搜索到的都要强很多
七，结语
折腾下来，这台机器大概的成本在3000人民币上下，肯定比在马云家买Prusa结构的成品贵，但是又比成品的双挤出头机器便宜，而且性能（打印面积、速度）也要高出一截。而且整个过程中还能学到不少知识，也是很有意义的。
3D打印机并不只是一个玩具，而且是一个工具，一个可以帮助自己更方便地实现各种稀奇古怪想法的工具。工具是死的，人的想法才是关键。
这篇文章只是粗略分享了一下自己从零开始设计的思路，以及安装过程中的经验。再具体的细节还是需要自己去搜索以及学习，希望有兴趣的值友们也能成功打造一台属于自己的3D打印机。
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------------ 以下是附录，目前自己成功打出来有点意思的东西 -------------
附......自从有了3D打印机，大部分的小工具小附件都可以自己做了。
卫星音响的安装适配





然并X的4x5转接Sony E卡口，相对于4x5的面积，135全幅就是张邮票，只是纯粹试着打出来，可以转接135当个长焦来使使吧。



少不免的打下花瓶笔筒什么的......






原始作者是Xline
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