3D打印龙门系统：优势、劣势与关键考量全解析

龙门系统为机床（如3D打印机、激光切割机、CNC路由器）创建精密运动系统的方法。术语未提供结构精确定义，因创建精密运动龙门的各方法在关键方面存在分歧。龙门系统亦可用于点应用打印系统（如FDM/FFF或Desktop Metal MetalX系统），也用于支撑区域应用打印头（如OBJET、粘结剂喷射系统、甚至层积物体制造LOM）。

在某些方面，机器人增材制造用机械臂亦可视为龙门系统，尽管常用部分极坐标几何而非三轴正交定位。这通常仅适用于机器人本身安装在龙门上时。

本文将探讨3D打印龙门系统定义及其优劣势。

什么是3D打印龙门系统？

龙门系统支撑点或区域应用3D打印头。提供至少部分运动轴，使打印头遍历构建区域，在构建中精确所需点放置材料。通常一个或多个轴由工作台运动处理。工作台安装于龙门框架，可视为龙门本质组成部分。更多信息见3D打印工作原理指南。

3D打印项目用龙门系统优势

基于龙门系统构建3D打印机有多种优势，含：

1. 公认提供3D打印机打印头或挤出机精准定位与运动控制的低成本方法。允许相对低成本结构提供精准可重复定位与快速运动控制。无需高成本设备即可更好复现打印文件。
2. 使打印头或挤出机能快速加减速，无反作用力致错位。允许打印操作间更快打印头定位移动，缩短整体打印时间。
3. 可适配打印床尺寸形状变化无需大幅重新设计。实现机器尺寸家族范围内零件与运动控制通用性。因多数龙门由挤压或激光切割折弯材料制成，增大机器尺寸只需延长结构件与驱动机构。此选项仅受最终导致运动精度下降的刚度损失限制。
4. 龙门系统刚性结构须设计为打印操作中提供结构稳定性，特别是定位移动时。减少否则干扰打印质量的振荡风险。
5. 提供驱动、轴承、传动部件开放访问。使基于龙门机器更易维护。涉及最少运动部件、可见可访问机构的设计亦便于清洁检查。

3D打印项目龙门系统劣势

龙门系统在3D打印机构建运营中有各种优势，含：

1. 更复杂刚性龙门系统可能相当大且重。难以放置移动，需更大安装空间。
2. 用龙门系统构建的大型机器因尺寸复杂性可能比其他机器结构方法更昂贵。
3. 立方体龙门机器可限制用户访问打印床。阻碍成品移除或打印过程必要调整。
4. 开放式龙门打印机打印时产生更多噪音振动，特别是放大通常硬安装框架部件步进电机共振。在安静环境中可能分散注意力或造成干扰。

3D打印龙门系统有哪些类型？

3D打印市场采用一系列特定龙门系统。含：

1. 笛卡尔XY打印头

笛卡尔XY打印头龙门系统为3D打印机（及多类CNC机床）常用运动控制系统。此构建法沿龙门X轴移动打印头或挤出机，通过移动整个龙门移动Y轴。这涉及Y轴移动高质量，高加速机动时可能导致更大机器振动风险。

此龙门系统中打印床固定，打印头或挤出机沿两垂直轴移动，典型运行于精磨轴配循环球直线轴承。高价版本常用V型导轨配外V槽滚珠轴承导向，减少轴承磨损。X轴通常定义为横跨机器，Y轴相对设备朝后/向前。Z轴定位打印头或挤出机垂直高度，搭载于龙门X运动上。

笛卡尔XY龙门系统构造操作简单，提供良好精度与重复性，允许打印头高精度定位。但速度加速度有限，某些方面刚度可能不足。

2. Ultimaker风格交叉

Ultimaker风格交叉龙门系统为3D打印较少用的机械结构与轴运动系统。特征为两平行龙门定位打印头或挤出机于X、Y轴。龙门由横杆连接，意在通过共享刚度稳定双轴运动。Z轴运动通常搭载于这两轴而非委托升降打印床。

此系统打印床典型固定稳定。打印头或挤出机沿X、Y轴移动。由步进电机通过齿形带传动。两龙门能同步移动。允许打印操作间平滑曲率与无冲击运动，最小化突发方向变化。该法亦提供打印时良好稳定性，受益打印成果质量。

此设计法比简单设计更复杂，设置校准更费力。特别受带驱动需极好对齐确保精准可重复运动影响。部分用户反映打印时难访问打印床调整，因两龙门有时阻挡访问。

3. CoreXY

CoreXY龙门系统为3D打印机设计用结构，具有固定步进电机驱动X、Y轴。这减少Y轴运动时龙门运动质量，因Y轴驱动固定就位。实现打印头更高加速与更精准运动，提供更高质量打印成果。

CoreXY系统通过一系列滑轮与循环（环形）皮带工作，驱动皮带在系统核心或中心交叉。驱动齿形带以较低惯性使打印头在X、Y方向移动。

运动质量更轻允许更轻龙门结构。高加速时刻阻力运动质量更少。此法对皮带张力与滑动状况更敏感，设置校准可能复杂。加速能力被视为足以抵消设置问题优势，故此系统在进阶用户中流行。

4. i3风格笛卡尔XZ打印头

i3风格笛卡尔XZ打印头在3D打印机设计中极广泛使用。此法打印平台本身升降（Z轴运动），打印头在龙门上单独传输于X轴。挤出机安装于沿精磨轴用循环球衬套移动X轴的滑块上。大型高价机器导轨可为V型，滚珠轴承运行其上。线性导轨与滑块轴承亦可用于更高精度。

i3型3D打印机Y轴典型为移动床，前后移动而龙门控制X轴。常被称为“甩床”型3D打印机。

此设计构造简单易建，成家庭/爱好者3D打印机热门选择。小型机器提供良好精度，但通常因相对低刚度与高惯性需节制加速与变向。

此设计主要缺陷：难维持床面水平实现层厚一致。与其他高价3D打印机设计相比较差刚性在高轴速/加速度下有显著影响。

5. H-Bot

H-Bot为部分3D打印机采用的龙门系统。用带驱动与线性导轨布局，类似CoreXY系统，具有固定电机驱动X、Y轴。

X、Y两带形成"H"形。X轴运动为两带协同一致运动结果，Y轴运动由两带协调运动实现。

视设计Z轴可升降龙门或升降打印床。

H-Bot布局比其他3D打印机设计更稳定刚性，提供更高质量打印成果。固定电机降低系统惯性，允许更高加速、需更少刚性即得良好稳定性。

H-Bot设置复杂、校准难、据报需更多维护。带任何轻微松动显著破坏XY精度，这是维护特定问题因带可拉伸。但维护良好时H-Bot为能同时提供高质量与高速的有效龙门系统。

龙门系统如何维护？

3D打印机轴驱动系统需定期检查维护确保有效运行。建议参考OEM推荐维护程序。以下列出维护龙门系统通用技巧：

1. 定期检查驱动带张力。过紧致过度磨损，松动影响精度重复性。
2. 确保所有轴承面润滑保持平滑运动减少磨损。用制造商推荐润滑剂勿过度润滑。
3. 检查驱动带磨损、毛边、开裂、拉伸。
4. 确保带惰轮与驱动带轮对齐。错位致带打滑磨损加快，影响轴响应或过热电机。
5. 轴驱动步进电机温度可为驱动问题指标。监测电机过热可预警多种问题。
6. 清洁整机，重点轴驱动系统。大多数磨损（后续故障）直接源于运动轴承部件灰尘。

龙门系统如何为3D打印工作？

龙门系统提供移动打印头的滑架与驱动能力。具体过程视3D打印龙门系统类型而异。3D打印机龙门系统分四基本类别：

1. 桌面FDM/FFF打印机中，龙门常为携带打印头的拱架。沿构建台轴向移动打印头（X方向）并升降（Z方向）。Y轴运动由构建台运动处理。允许龙门Y轴固定，减少结构刚度需求。
2. 其他FDM/FFF打印机中，Y轴由整个龙门Y轴移动处理。这要求龙门Y方向更刚性避免加减速时Y轴振荡。
3. 允许更快穿越无摇摆振荡的更刚性龙门结构为立方体框架，刚性保持三轴运动。此系统更常用于中大型机器。可提供更快运动加速与更高精度打印头定位结果。

3D打印龙门系统寿命多久？

基于龙门3D打印机在条件下功能寿命本质无限。条件为：维护定期彻底、零件可得、执行必要维护修理有商业价值。龙门3D打印机为功能结构件汇总，系统整体耐久性取决于最弱环节。

龙门系统能打印房子吗？

3D打印确实能建造房屋及其他大型结构。建筑3D打印为研究增长与早期商业化尝试领域。有多例房屋及市政建筑3D打印，典型用基于龙门混凝土打印机或移动机械臂。

执行此任务3D打印系统工作方式类似FDM/FFF打印，挤出混凝土珠迹为轨道，完整结构可由此打印。某方面目前人工干预。如窗门过梁须手工安装，因目前无“支撑”打印悬垂结构。

当前方法仅能打印垂直墙体，无法处理屋顶结构。管电、窗安装、内衬装修等所有其他方面均为人工，无自动化近期前景。

龙门系统打印区域有限吗？

是，龙门内部打印体积受严格限制。龙门为结构，通常远超典型3D打印机打印区域/体积。

龙门系统依赖3D软件吗？

基于龙门3D打印机（如所有3D打印机）严重依赖各类3D软件生产最终部件。

设计阶段必须用3D CAD生成打印模型。然后模型须在切片软件切片以分层打印。切片层典型转G-code，指导3D打印机刀具路径打印最终形状。这在3D打印与CNC加工中均称“刀具路径”。

各类3D打印龙门系统差异何在？

各类3D打印龙门系统有几大差异。3D打印机构建采用各类龙门系统，各有优势短板。主要差异：

1. 刚度：额外柔性降低打印机加速容限，高加速破坏结构诱导振动/振荡干扰打印过程。
2. 重量：较高机器重量可助稳定性。较高运动部件重量需更大驱动力与更大刚度避免加速点或变向摇晃。
3. 成本：轻量简单结构成本低，但结构不足导致低精度差性能。
4. 维护：部分龙门系统允许易维护，其他则使过程更难。

了解更多见机械臂vs龙门系统3D打印完整指南。

总结

本文呈现龙门系统，解释定义，讨论工作原理与各类型。了解更多龙门系统请联系Xometry代表。

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Dean McClements

Dean McClements为机械工程荣誉学士毕业，拥有逾二十年制造行业经验。职业历程含Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale等领军企业重要角色，深谙工程流程与创新。

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