机械臂与龙门系统：根据尺寸和占地面积选择最佳 3D 打印架构

3D 打印机领域存在简单的分歧。成熟的市场主要由内置于框架或龙门中的运动系统内承载的机器组成，其中内置有滑轨和驱动器。这些是龙门机器。另一方面，许多行业青睐基于独立式机械臂的大型机器，这增加了潜在的构建尺寸，同时保留了机器中较小的占地面积。

机械臂 3D 打印的优势仅在较大的构建中真正体现出来，其中构建体积由机械臂的范围定义，而不是限制在龙门架的刚性边界内。本文将进一步探讨 3D 打印机械臂与龙门系统之间的差异。

什么是 3D 打印机械臂？

用于 3D 打印的机械臂是一种与更常见的 X-Y-Z 正交方法显着不同的机械臂。这种臂是有益的，因为该装置能够在更广泛的方向和方位上移动。因此，这种方法有利于使用更多自由度打印 3D 物体。有关更多信息，请参阅我们的 3D 打印机机械臂指南。

图1是机械臂3D打印机的示例：

机械臂3D打印并不常用于制造小零件。在小规模上存在一些困难，使得正交机更加实用。机械臂往往比龙门式机械臂成本更高，尤其是在较小规模的情况下。 

一般来说，为了打印汽车和航空航天领域的大型零件，机械臂将配备 3D 打印挤出机打印头 (FDM/FFF/FGF) 或激光/TIG 焊接头。 

这两者都可以沉积材料来创建最终的物体。该手臂经过编程，可以以精确的模式移动挤出机，沉积材料，直到物体完成。然而，像这样的手臂设置可以在基于挤压的工艺上运行，将分层改变为更复杂的结构。这是因为额外的自由度允许手臂以更复杂的方式进行打印过程（例如非平面打印）。

机械臂 3D 打印可用于打印具有复杂几何形状的大型物体和零件，而使用正交机器很难或不可能创建这些物体和零件。

机械臂可以打印哪些项目？

机械臂 3D 打印增加了正交机器无法实现的灵活性。下面列出了它可以打印的一些示例：

1. 对于典型 3D 打印机来说太大的大型物体。例如大型汽车零件、全尺寸家具、建筑构件和整个建筑物。
2. 通过更换挤出机，机械臂打印机可以使用多种材料、不同的颜色或添加剂。
3. 根据设备的刚度和质量，机械臂打印机的运动可以非常精确。这可以在执行大型或复杂设计时保持高精度。
4. 由于额外的运动自由度，更容易实现不寻常形状和方向的打印。这可以实现直接在曲面上打印（非平面打印）或在构建的底面上打印。
5. 复杂几何形状的 3D 打印是可能的，因为手臂可以中断材料通道并从障碍物的另一侧继续打印。这使得可以打印互锁的物体，而这通常是正交 3D 打印技术无法实现的。

机器人 3D 打印的能力仅受到手臂的尺寸和刚度、其运动的准确性和可重复性的限制，而不受打印物体的复杂性的限制。

3D打印机械臂有哪些优势？

机械臂 3D 打印相对于龙门/正交机器的各种优势被认为很重要，包括：

1. 打印面积/体积： 这种方法允许使用相对较小的机器打印非常大的印刷品，仅受其范围的限制。
2. 尺寸： 较小的设备可以提供较大的打印效果。
3. 成本/尺寸： 虽然机器人手臂并不便宜，但它们与容量较小的大型正交打印机相比具有竞争力。 
4. 零件的几何形状： 机器人手臂由于可以多轴访问构建，因此对构建几何形状的限制要少得多。
5. 各向异性控制： 构建的“颗粒”可以按区域选择，因为不需要严格的单轴分层。这使得零件强度可以以不同的方式定向，从而提高打印件的整体稳健性。

3D打印机械臂有哪些缺点？

虽然机械臂 3D 打印比正交打印方法具有优势，但也存在缺点，包括：

1. 设置机器人 3D 打印成本高昂，对于小型企业或个人来说成本过高。
2. 在创建/执行打印作业和初始硬件设置方面，机器人 3D 打印比正交/龙门打印机需要更高水平的技术专业知识。
3. 机器人没有本质防护，很容易伤害旁观者。必须使用屏障和入侵传感器。
4. 与所有机器一样，机器人手臂需要定期维护和偶尔维修。这可能比正交/龙门 3D 打印机更加昂贵和耗时。

机械臂有 6 个轴吗？

是的，机器人 3D 打印机通常有六个轴，但许多机器人手臂的自由度较少。六轴机器人手臂有六个运动轴：三个旋转轴（滚动、俯仰和偏航）和三个平移轴（上下、左右和前后）。六轴移动性是用于 3D 打印的工业机器人手臂的标准配置。一些机器人 3D 打印机可能有超过六个（或更少）的轴，具体取决于其预期应用。

什么是 3D 打印龙门系统？

用于3D打印的龙门系统是一种由横梁和滑轨组成的结构，用于支撑打印头/挤出机并在运输和打印时引导其运动。关键功能是刚性和精度，将打印应用点精确地放置在构建中。与三角或笛卡尔打印机相比，龙门系统允许更大的构建高度（因此体积）。龙门系统通常适用于大多数 3D 打印技术。允许打印深度的 Z 轴机构要么是承载 Z 轴机构的龙门架运动的结果，要么是单独机构上的构建台运动的结果。

龙门系统因其固有的刚度和巨大的构建体积潜力而广泛应用于工业/专业和家用/业余爱好机器中。图2是3D打印龙门系统的示例：

有关机械臂与龙门系统的常见问题

3D 打印机械臂相对于龙门系统的主要优势是什么？

与 3D 打印龙门系统相比，机械臂的主要优势在于其在大型打印中的长距离/大构建体积。将大型正交龙门打印机移动到建筑工地通常需要将其拆卸以进行运输，这使得现场设置极具挑战性。机器人手臂可以收缩到适中的尺寸，并轻松放置在预定的构建位置。

3D 打印龙门系统相对于机械臂的主要优势是什么？

基于龙门的 3D 打印机的购买、操作和维护成本低于基于机械臂的机器。

哪种 3D 打印机类型用于建筑？

龙门式 3D 打印机和机械臂 3D 打印机都可用于建筑施工，具体取决于尺寸等一系列因素。就地构建更常见的是由机器人手臂打印机执行，而使用基于龙门的机器在固定地点制造组件更为实用。

哪种 3D 打印机类型用于金属打印？

大多数金属 3D 打印机（尤其是基于粉末床融合的打印机）利用激光和旋转镜子，将激光引导到床上。它们既不是机器人也不是基于龙门的系统。它们通常在惰性气体的受控环境中运行，更适合较小的零件。

然而，某些金属打印技术，特别是用于制造较大零件的金属打印技术，可以使用机械臂。 WAAM（电弧增材制造）系统通常配备安装在机械臂上的电弧焊机。

基于机器人臂的打印在大型机器中的优势使其成为一种实用但不常见的选择，市场（因此机器制造商）对此表现出越来越大的兴趣。

这些 3D 打印机需要维护吗？

是的，所有 3D 打印机都需要大量的定期维护才能提供可靠的精度。在某些方面，3D 机器人手臂打印机需要的定期维护较少，但维护起来要复杂得多，成本也高。

这些 3D 打印机的可打印区域有限吗？

大多数 3D 打印机在可构建区域方面都有局限性，除非它们具有移动性（例如 CyBe RT 混凝土 3D 打印机）或传送带形式的“无限”轴。

这些 3D 打印机使用寿命长吗？

是的，如果维护彻底且定期，并且所需零件仍然可用，3D 打印机可以持续很长时间。只要这些机器具有成本效益，它们就会继续运行。由于机器的性能被新开发所超越或打印成本被削弱，该领域很快就会过时。因此，机器的商业可行性很可能将成为其持续运行的决定因素。

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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