3D 打印中的龙门系统：优点、缺点和关键考虑因素

龙门系统是一种为机床（例如 3D 打印机、激光切割机和 CNC 铣床）创建精密运动系统的方法。该术语没有提供结构的精确定义，因为创建精密运动龙门的各种方法在关键方面存在差异。龙门系统也可用于点 应用打印系统，例如 FDM/FFF 或 Desktop Metal 的 MetalX 系统，但它们也用于支持区域 应用打印头，例如 OBJET、粘合剂喷射系统，甚至层压物体制造 (LOM)。

在某些方面，机器人增材制造中使用的机器人臂也可以被视为龙门系统，尽管经常使用部分极坐标几何结构而不是 3 轴正交定位。这通常仅适用于机器人本身安装到龙门架上的情况。

本文将讨论什么是3D打印龙门系统，以及它的优点和缺点。

什么是 3D 打印龙门系统？

龙门系统支持点或面应用3D打印头。它至少提供一些运动轴，允许头部穿过构建区域，以将材料应用精确地放置在构建中所需的点处。通常，一个或多个轴由工作台的运动来控制。然而，它被安装到龙门框架上，并且可以被认为基本上是龙门的一部分。有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印工作原理指南。

龙门系统对于 3D 打印项目有哪些优势？

使用龙门系统构建 3D 打印机具有多种优势，包括：

1. 被广泛认为是一种对 3D 打印机的打印头或挤出机提供精确定位和运动控制的低成本方法。这允许相对低成本的结构提供精确且可重复的定位和快速运动的控制。这样可以更好地再现正在打印的文件，而无需使用高成本的设备。
2. 使打印头或挤出机能够快速加速和减速，而不会因反作用力而错位。允许更快的打印头在移动之间定位 打印操作减少了总体打印时间。
3. 可用于适应打印床尺寸和形状的变化，而无需进行重大重新设计。这使得一系列机器尺寸的零件和运动控制具有通用性。由于大多数龙门架都是由挤压或激光切割和折叠材料制成，因此只需加长结构构件和驱动机构即可增加机器尺寸。此选项仅受到刚度损失的限制，最终会导致运动精度降低。
4. 龙门系统的刚性结构必须设计成在打印操作期间，特别是在定位移动期间提供结构稳定性。这降低了振动风险，否则会影响打印质量。
5. 提供对驱动器、轴承和传动部件的开放式检修。这使得基于龙门的机器更易于维护。涉及最少移动部件和可见、可触及的机制的设计也有利于更轻松的清洁和检查。

3D 打印项目的龙门系统有哪些缺点？

龙门系统在 3D 打印机构建和操作方面具有多种优势，包括：

1. 更复杂和刚性的龙门系统可能相当大和重。这使得它们难以放置和移动，并且需要更大的安装空间。
2. 由于尺寸和复杂性，使用龙门系统制造的大型机器可能比其他机器结构方法成本更高。
3. 配备立方体龙门系统的机器可能会限制用户对打印床的访问。这会阻碍打印完成的移除，或者在打印过程中使用户难以进行必要的调整。
4. 开放式龙门打印机在打印过程中会产生更多噪音和振动，特别是在放大通常硬安装到框架部件上的步进电机的共振时。在安静的环境中，这可能会分散注意力或造成干扰。

3D 打印龙门系统有哪些不同类型？

3D 打印市场采用了一系列特定的龙门系统。这包括：

1。笛卡尔-XY-头

笛卡尔 XY 头龙门系统是 3D 打印机（以及各种其他类别的 CNC 机器）中常用的运动控制系统。这种构造方法使打印头或挤出机沿龙门架的 X 轴移动，并通过移动整个龙门架来移动 Y 轴。这可能涉及在 Y 轴上移动较大的质量，并可能导致机器振动的风险更大，尤其是在高加速操作期间。

在这样的龙门系统中，打印床是固定的，打印头或挤出机沿着两个垂直的轴移动，通常在带有循环滚珠线性轴承的接地轴上运行。价格较高的版本通常使用带有外部 V 型槽滚子轴承的 V 型导轨作为导轨，从而减少轴承磨损。 X 轴通常定义为acros 机器，而 Y 轴方向向后/向前 相对于设备。 Z轴定位打印头或挤出机的垂直高度，并由龙门架的X轴运动。

笛卡尔-XY 龙门系统简单且易于构建和操作。它们还提供良好的精度和重复性，从而实现打印头的高精度定位。但它们在速度和加速度方面存在局限性，并且在某些方面可能缺乏刚度。

2。 Ultimaker风格交叉

Ultimaker式交叉龙门系统是3D打印中不太常用的机械结构和轴运动系统。它具有两个平行的龙门架，可沿 X 轴和 Y 轴定位打印头或挤出机。龙门架通过横杆连接，旨在通过共享刚度来稳定沿两个轴的运动。 Z 轴运动通常在这两个轴上进行，而不是委托给上升和下降的打印床。

在该系统中，打印床通常是固定且稳定的。打印头或挤出机沿 X 轴和 Y 轴移动。它们由步进电机驱动，通过齿形带传输运动。两个龙门架能够同时移动。这允许打印操作之间的平滑曲率和无冲击运动，因为突然的方向变化被最小化。该方法还在打印过程中提供了良好的稳定性，有利于打印结果的质量。

与简单的设计相比，这种设计方法更加复杂，并且需要更多的设置和校准工作。这尤其受到需要良好对准以确保精确且可重复运动的皮带传动的影响。一些用户还报告说，在打印过程中很难访问打印床进行调整，因为两个龙门架有时会在打印过程中阻塞访问。

3。核心XY

CoreXY 龙门系统是 3D 打印机设计中使用的一种结构，具有固定步进电机来驱动 X 轴和 Y 轴。这减少了 Y 轴运动期间龙门架中的运动质量，因为 Y 轴驱动器保持固定到位。这使得打印头能够实现更高的加速度和更精确的移动，从而提供更高质量的打印结果。

CoreXY 系统的工作原理是使用一系列滑轮和循环（环形）皮带，这些皮带轮和循环皮带的排列使得驱动皮带在系统的核心或中心处相互交叉。驱动齿形带使打印头以较低的惯性沿 X 和 Y 方向移动。

移动更少的质量可以实现更轻的龙门结构。在高加速力矩下需要抵抗的移动质量较小。与其他系统相比，这种方法对皮带张力和滑动状况更敏感，并且设置和校准可能很复杂。加速能力被认为足以胜过设置问题，因此该系统在一些更高级类别的用户中很受欢迎。

4。 i3 风格笛卡尔 XZ 头

i3 风格的 Cartesian-XZ-Head 在 3D 打印机设计中应用非常广泛。在这种方法中，打印平台本身被提升和降低（Z轴运动），而打印头则在X轴的龙门架上单独运输。挤出机安装在一个托架上，该托架使用循环滚珠衬套在精密磨削的轴上沿 X 轴移动。在较大且价格较高的机器上，导轨可以呈 V 形，滚柱轴承在这些导轨上运行。也可采用直线导轨和滑块轴承，精度更高。

在 i3 型 3D 打印机上，Y 轴通常是移动床，在龙门控制 X 轴的同时来回移动。这通常被称为“bedslinger”类型的 3D 打印机。

这种设计简单且易于构建，使其成为家庭/业余爱好 3D 打印机的热门选择。它在小型机器中具有良好的准确度和精密度，但一般来说，由于刚度相对较低，惯性较高，因此需要调节加速度和方向变化。

这种设计的主要缺点是很难保持水平床并实现一致的层厚度。与其他价格较高的 3D 打印机设计相比，刚性较差，在较高的轴速度/加速度下可能会产生非常显着的影响。

5。 H-机器人

H-bot 是一些 3D 打印机中采用的龙门系统。它采用皮带传动和线性导轨，其布局与 CoreXY 系统类似，具有固定电机来驱动 X 轴和 Y 轴。

X 和 Y 的两条带形成“H”形状。 X 轴运动是两条皮带共同作用的组合运动的结果，而 Y 轴运动是由两条皮带协调运动实现的。

根据设计，Z 轴可以升高/降低龙门架，也可以升高/降低打印床。

H-bot 布局比其他 3D 打印机设计更加稳定和刚性，可提供更高质量的打印结果。固定电机降低了系统惯性，允许更高的加速度，并且需要更低的刚度以获得良好的稳定性。

H-bot 设计设置复杂且难以校准，据报道需要更多维护。皮带中出现的任何轻微松弛都会严重影响 X-Y 精度，这是维护中的一个特殊问题，因为皮带会拉伸。然而，如果维护得当，H-bot 是一个有效的龙门系统，能够提供高质量的和 高速。

龙门系统如何维护？

3D打印机轴驱动系统需要定期检查和维护以确保有效运行。建议检查 OEM 推荐的维护程序。下面列出了有关如何维护龙门系统的一些一般提示：

1. 定期检查传动皮带的张力。皮带过紧会导致过度磨损，皮带过松会影响准确性和重复性。
2. 确保所有轴承表面都得到润滑，以保持平稳运动并减少磨损。使用制造商推荐的润滑剂，不要过度润滑。
3. 检查传动带是否磨损、磨损、破裂和拉伸。 
4. 确保皮带惰轮和驱动皮带轮对齐。不对中会导致皮带打滑或磨损得更快，并可能影响轴响应能力或使电机过热。
5. 轴驱动步进电机的温度可以作为驱动问题的指标。观察热电机可以帮助警告用户一系列问题。
6. 清洁整个打印机，特别是轴驱动系统。大多数磨损（以及后来的故障）是运动部件和轴承部件中的污垢直接造成的。

龙门系统如何用于 3D 打印？

龙门系统提供移动打印头的托架和驱动能力。具体流程根据3D打印龙门系统的类型而有所不同。 3D 打印机中的龙门系统分为四个基本类别：

1. 在桌面 FDM/FFF 打印机中，龙门架通常是承载打印头的拱形结构。它将打印头轴向移动穿过构建台（X 方向）并升高和降低打印头（Z 方向）。然后，Y 轴运动由构建台的运动来处理。这使得龙门架能够在 Y 轴上保持静止，从而减少对结构刚度的需求。
2. 在其他 FDM/FFF 打印机中，Y 轴是通过在 Y 轴上移动整个龙门架来处理的。这要求龙门架在 Y 方向上具有更大的刚度，以避免在加速和减速时在 Y 轴上振荡。
3. 较硬的龙门结构形式是立方体框架，可以使所有三个轴的运动保持刚性，从而可以更快地移动而不会摇摆或振荡。该系统更常用于中型和大型机器。它可以提供更快的运动和加速度以及更高精度的打印头定位结果。

3D 打印龙门系统可持续使用多久？

在有条件的情况下，基于龙门的 3D 打印机的使用寿命基本上是无限的。这些条件是维护定期且彻底，零件仍然可用，并且执行所需的维护和维修具有商业价值。龙门式3D打印机是功能部件和结构部件的集合体，系统的整体耐用性取决于最薄弱的环节。

龙门系统能够打印房屋吗？

3D 打印确实可以建造房屋和其他大型结构。建筑物 3D 打印是一个研究不断增加和商业化早期尝试的领域。有多个房屋和其他民用建筑 3D 打印的例子，通常使用基于龙门的混凝土打印机或移动机械臂。

用于执行此任务的 3D 打印机系统通过类似于 FDM/FFF 打印的方式运行，将混凝土珠挤出作为可以打印完整结构的轨道。目前某些方面是通过人工干预来执行的。门窗门楣等物品必须手动安装，因为目前无法在悬挑下进行“支撑”打印。

目前采用的方法只能打印垂直墙壁，无法处理屋顶结构。所有其他方面——从管道和电气，到窗户安装和衬里以及所有完成任务都是手动的，目前还没有实现自动化的前景。

龙门系统的可打印区域是否有限？

是的，里面有一个非常有限的体积 可打印的龙门架。龙门架是一种通常位于典型 3D 打印机可打印区域/体积之外的结构。 

龙门系统依赖于 3D 软件吗？

基于龙门的 3D 打印机（与所有 3D 打印机一样）严重依赖各种 3D 软件类型来生产最终零件。

3D CAD 必须在设计阶段使用来生成用于打印的模型。然后，必须在切片软件中对模型进行切片，以便分层打印模型。然后，切片层通常会转换为 G 代码，以指示 3D 打印机工具头必须遵循哪个路径来打印最终形状。这在 3D 打印和 CNC 加工中都称为“刀具路径”。

各种 3D 打印龙门系统之间有什么区别？

可用于 3D 打印的不同龙门系统之间存在一些主要差异。 3D 打印机的制造中采用了多种类型的龙门系统，每种龙门系统都有自己的优点和缺点。主要区别是：

1. 刚度： 额外的灵活性会降低打印机的加速度容差，因为高加速度会破坏结构并引起振动/振荡，从而干扰打印过程。
2. 重量： 较高的机器重量有利于提高稳定性。更高移动 零件 然而，重量需要更大的驱动力和更大的刚度，以避免在加速点或方向变化时晃动。
3. 成本： 更轻、更简单的结构成本更低，但结构不足会导致精度低、性能差。
4. 维护： 一些龙门系统易于维护，而另一些龙门系统则使维护过程变得更加困难。

要了解更多信息，请参阅我们关于 3D 打印机械臂与龙门系统的完整指南。

摘要

本文介绍了龙门系统，解释了它们是什么，并讨论了它们的工作原理和各种类型。要了解有关龙门系统的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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