开发背景： 3D打印技术最早诞生于1984年。查尔斯胡尔将光学技术应用到了3D快速成型领域，拉开了3D打印的帷幕，20世纪末期，3D打印行业在国内外受到广泛关注，各种3D打印技术也在很多方面得到应用并快速发展，现已经覆盖到制造，学术，航空航天，医疗，军事，教育等各个领域。FDM3D打印，是一种新型的增材制造快速成型技术，是以数据化的数字模型为基本，使用热塑性材料。将材料加热融化，使喷头沿模型截面做填充运动，材料快速凝固与周围材料迅速结合来加工的过程。

结构说明：基于圆柱坐标的3D打印机机型。

使用说明：与传统FDM 3D打印机使用相同， 切片软件为OctoPrint。

设计意义：针对目前基于笛卡儿直角坐标系的FDM3D打印机在打印旋转体时精度低，存在速度慢等一系列问题，设计开发一种基于圆柱坐标系的 FDM 3D 打印机。其成型原理与机械结构借鉴了传统的FDM 3D打印机，并在此结构基础上将基于笛卡儿坐标系的运动方式改为基于圆柱坐标系的运动方式。相较于传统的 FDM 3D 打印机，在使用相同的硬件(包含电机、喷头、打印耗材)配置情况下，使用该设备打印旋转体模型时可以拥有有更高的打印精度，在某些情况下还可以实现更快的打印速度、更高打印精度的桌面级3D打印机。

设计原理：该圆柱坐标3D打印机总共有4个电机，一个是用于该坐标系R极轴，控制极轴运动距离；一个用在坐标系角度轴，控制打印平台运动角度；一个是用于该坐标系Z轴，控制Z轴上下运动；剩余一个运用于输送打印材料到喷头。不同于常见的3D打印机有X,Y轴，该3D打印机将X，Y的直线运动转换成了一个半径与角度定位的运动方式，此款打印机中的θ角度轴是做的360°的圆周运动，在平台下配置一个电动作为旋转台，对设计成圆形的打印底板进行准确的旋转角度的控制．设打印底板的原点位置为圆柱坐标的底面圆心位置．设备中的 R极轴为往复直线运动，设计时，定义R极轴经过基板原点，并且R极轴原点即为坐标系的原点．半径R方向由同步齿形带传动，定位方向由直线导轨保持。旋转角由电机直接控制，旋转打印平台由轴承保持。Z轴传动由丝杆传动，定位方向由直线导轨保持。

设计方案：打印机的结构主要由6061铝材加工配合构成， Z轴运动是通过立在两根直线导轨中间的丝杆实现传动，由顶部的步进电机通过联轴器直接带动丝杆实现悬臂上下运动。每个加工零件之间的配合精度要求很高，涉及到影响打印精度的零件都设计有定位，保证配合要求，保证打印机的整体结构合理，安装精度高，整体结实。X极轴是悬臂梁结构，需要承载的有挤出喷头，散热风扇，导轨以及滑块等重物。为了保证打印时 X 极轴运转的精度，要求 X 极轴必须有较好的刚性。采用一块300mm×50mm×10mm的6061铝材使用CNC加工，作为悬臂梁。在悬臂左侧设计有双滑块的定位，能保证安装精度，使用双滑块也能是悬臂刚性更好，更稳定。悬臂右侧就是X极轴的运动导轨以及挤出喷头，采用 2GT 同步带传动使 X 轴做直线往复运动。直线导轨都是采用12的镀铬硬轨，长度 190 mm; 公差: 0.02 mm 以内; 直线度: 0.02 mm/m; 硬度: HRC58 ～ 62。滑块为12号标准长度滑块。设计了一种中空旋转盘，上下两层: 上层为打印工作平台，预留 3 个 3 mm 的固定调节孔，下层为腹板式结构用于支撑上层板以及与旋转轴的连接; 选用大扭矩的 57 步进电机直接驱动旋转盘，转盘上附加四线集电环以便于在旋转平台下方加上热床和热敏电阻，解决了现有极坐标 3D 打印机无法加入热床的难题。Z 轴负载 X 轴悬臂梁、电机和喷头等，是整个3D 打印机中承载最大的一根轴，不能因 X 轴的运动3D 打印机中承载最大的一根轴，不能因 X 轴的运动而晃动和滑动。综合以上因素，设计为单 Z 轴结构，采用 T8 丝杠进行传动，弹性联轴器连接 Z 轴 42 步进电机和 T8 丝杠; 导向滑动采用直线光轴和轴承配合。结旋转平台的传动方式选择。Z轴的传动方式选择由于极轴悬臂是垂直上下运动，本身重量较大，Z轴的运动需要的要求是精度高，传递平稳，能自锁，打印机不通电时悬臂不会自然下降，不需要追求传递速度，综合考虑，采取丝杆传动是最好的选择，丝杆传递平稳，可传递力矩大，可以满足悬臂垂直上下运动，精度高，打印时模型的侧面光滑，表面效果要好，整体结构紧凑。

实用突破点：我国对于3D打印的研究相对较晚，目前正处于快速发展与蓬勃发展之中。3D打印机的发展也处于一个快速成长期.20 世纪 90 年代初，武汉大学，清华大学、华中科技大学等高校，在3D 打印设备制造技术、3D 打印工业应用研究等方面开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。本设计针对目前基于笛卡儿直角坐标系的FDM(Fused Deposition Modeling)工艺熔融沉积制造3D打印机在打印旋转体时精度低，存在速度慢等一系列问题，设计开发打造一款基于圆柱坐标系的 FDM 3D 打印机。相较于传统常见的桌面级FDM 3D打印机，在采用相同条件硬件配置情况下，使用该打印机打印旋转体模型时可以达到更好的打印效果精度，在某些情况下还能达到更快的打印速度。

设计创新点：目前市场上存在的桌面级 FDM3D 打印机主要是笛卡尔坐标系机械结构和基于 Delta并联机械结构的3D打印机，基于笛卡尔坐标系和Delta并联机械结构的3D打印机发展十分迅速，已经到了十分成熟的阶段。各种外观，传动方式也越来越优秀合理，性能、精度、速度都得到了非常大的进步。切片计算软件也越来越快，越来越智能，各方面越来越完善。但是采用这两种机械结构设计的3D打印机相对来说打印速度比较慢，对于有高速打印的需求不易满足，尤其在打印回转类模型时插补性能较差，导致打印精度不高。而现有的基于圆柱坐标的3D打印机发展却不是很明显，机型还停留在很原始的设计之上，各方面都存在缺陷不合理的地方，精度不高，速度慢。切片软件也十分有限，漏洞多，只能处理简单的模型零件。通过查找现有的文献资料，针对目前已有的机型机器选择进行优化改进，对机械结构不合理的地方进行改进，对现有的程序进一步的开发和完善。通过研究、分析已有的圆柱坐标3D打印机，在现有的3D打印机机械结构的基础上，设计开发了一种单臂圆柱坐标3D打印机。本设计开发改进一款新型圆柱坐标的3D打印机，提高了圆柱坐标型的精度、速度、稳定性、实用性等各方面优点。