可实现无支撑打印，开源4轴桌面3D打印机ROTBOT

导读：3D打印机可以用来制造各种复杂的结构，但是当使用FDM 3D打印机打印一些悬垂结构时，如果不加支撑，则在悬空处会出现下垂，导致糟糕的表面光洁度和几何偏差，甚至还有可能打印失败。如果打印支撑结构，那么它需要更长的打印时间，并且浪费材料。

最近，瑞士温特图尔的应用科学大学开了一款名为RotBot的3D打印机，它是一台经过改进的 Prusa MK3，带有一个 DUET 控制板，它有一个完全可旋转的 45° 倾斜打印头，能够在没有任何支撑的情况下打印悬垂的结构。

Michael Wüthrich 是大学的讲师之一，他和他的团队一起建造了 RotBot。这台机器展示了真正的多轴打印的外观和使用它可以实现的效果，而且工具头的设计文件作为用于切片的脚本，是完全开源的。

RotBot 打印零件

RotBot 并不是他们第一次尝试多轴 3D 打印，因为Michael的前任 Elspass 教授和他的团队已经建造了一个复杂的6 轴 delta 打印机称为 MaxBot，用于类似的工作。RotBot 明显更简单，它的核心是带有 45° 喷嘴的可旋转打印头。顶部有一个 E3D Hemera 挤出机，它将通过具有空心轴的步进电机引导的丝材送入滑环，滑环使所有线材不会缠结，从而可以完全自由旋转热端和它也作为一个额外的轴承。然后是稍微修改的 V6 散热器和 45° 加热块和喷嘴，这基本上是这个版本中唯一真正的定制的部分。他们选择了 DUET 控制板，控制板易于配置，并且确实为第 4 运动轴配备了额外的步进电机驱动器。为了增加间隙，他们不得不去掉热床传感器，它现在用于归位旋转轴，以及一个简单的微动开关归位 z。

△RotBot 工具头的剖面图

然而，硬件只是一部分，也是多轴非平面 3D 打印中最容易的部分。超过 3 轴 CNC 在制造业中非常普遍，多轴机械臂也比以往任何时候都更实惠。但没有大量软件可用于多轴非平面3D打印机。这也是非平面和/或多轴打印没有取得突破的原因之一。切片软件和切片方法是挑战，而不是硬件！

Michael 和他的团队开发的切片方法非常简单，但很有效，希望在某个时候将它用于常见的切片软件。使用常见的 FDM 3D 打印切片软件，您可以在 +-45° 的区间内打印悬垂部分。具有倾斜喷嘴的打印机可以打印倾斜 0°-90°的结构，这就是 RotBot 改进的地方。凭借旋转的打印头，它可以到达零件周围并将窗口增加到大约 +-90°，这允许在所有侧面完全悬垂结构并且没有任何支撑，因此名称为“锥形切片”。

锥形切片是用于为打印机生成 g 代码的方法，但他们并没有编写一个全新的切片软件，而是简单地欺骗常规软件生成路径，然后用一些 python 脚本修改代码。我过去听说过这种方法，并且下面也链接的论文很好地说明了这种方法。有三个步骤：STL 文件的预变形，在常规切片器中对预变形的 STL 进行切片，并反向转换 G 代码。

△锥形 GCode

首先，谈谈预变形。这样做是为了以后可以欺骗常规切片软件生成锥形 gcode。为此，网格的所有点都在 z 方向上向上移动，具体取决于它们与定义的旋转轴的距离。由于这可能会导致严重的伪影，具体取决于零件的网格细度，python 脚本还可以细化网格以使最终结果更平滑。此过程导致 RotBot 喷嘴的 45° 角处出现圆锥形变形部分。然后将变形的部分带回切片器，并生成常规 Gcode。不得不将 Simplify3D 与当前版本的脚本一起使用，因为它似乎使用切片器为背部变形注入的一些注释，但这可能很容易修复。然后这个变形部分的 GCode 被重新转换，这与我们一开始对 STL 所做的相反的过程。因此，所有 GCode 点都会根据它们到中心轴的距离再次向下移动。有一些边缘情况需要考虑，例如较长的线性移动，这会导致已打印部件的崩溃或需要稍微调整的流速。

如果您想了解更多详细信息，强烈建议您仔细查看有关此方法的论文。这为您留下了漂亮的非平面 Gcode，其中打印移动不在一层上，而是逐层构建。这种方法的另一个好处是，这些层现在像煤渣块一样交错排列。

△类似煤渣块的交错层

如果您理解锥形切片是一个非常简单的过程，并且如果您的喷嘴周围有足够的间隙，您甚至可以在普通 3D 打印机上打印此 Gcode，因为这些只是简单的非平面打印动作。我实际上想更深入地研究用于常规 3 轴打印机的这种锥形切片方法，因为该脚本有一个稍微修改过的版本，可以让您以更浅的角度切片，因此可能是打印无支撑悬垂的好方法。

△在常规 FDM 打印机上进行锥形打印

然而，RotBot 的突出特点是它的第 4 轴和 45° 角喷嘴。即使您可以在普通打印机上打印此锥形 GCode，但当喷嘴开始越来越多地以更陡峭的角度拖过它自己的挤出材料时，您很快就会遇到挤出问题。使用 RotBot 的倾斜喷嘴，您可以忽略此问题，因为您可以确保始终垂直于层和挤出线。这种额外的自由度导致 Gcode 不仅参考 X、Y 和 Z 坐标，还添加了一个 U 值，即第 4 轴的角度。

所有这些都导致了这些漂亮的非平面打印移动，其中打印机的所有 4 个轴同时移动。印花总是从圆锥轴的中心开始，然后慢慢向外向上生长。RotBot 可以在没有任何支撑材料的情况下打印完全水平的悬垂，这开辟了相当多的机会。

然而，与往常一样，技术也存在局限性和缺点，无论是锥形切片还是带有 45° 角喷嘴的 RotBot。锥形切片不是针对每个任意几何形状的切片方法。您可能已经注意到，到目前为止，您看到的所有悬垂都朝外。锥形切片存在与笛卡尔和带状 FDM 切片相同的问题。打印线不能在半空中开始，所以如果你有朝内的悬垂，你仍然需要支撑。另一种方法是切割零件，使零件的向内部分被切割成向内的圆锥而不是向外的圆锥。这已经实现，但目前仍然是一个手动过程，将零件分割并将 Gcode 堆叠在一起以打印更复杂的零件，而无需支持。

△锥形切片部分内锥

这就是基本情况，至少使用这种开源方法。RotBot 和锥形切片方法很好地展示了通过相对简单的打印机修改和超级智能但仍然简单的切片方法可以实现的目标。但是，问题仍然存在，我们是否会在未来的某个时候看到这在商业机器中实现，或者当前的机器是否足以胜任大多数任务。亲眼看到 RotBot 打印零件是一次很棒的体验，我相信它会有很多应用。然而，我看到更大的创新是锥形切片方法，在一定程度上，它也可以用于您在家中可能拥有的传统打印机上，并允许更多的设计自由度和更少的支撑结构浪费。

△一些圆锥切片示例

锥形切片可能是切片软件的下一个重大创新，但需要大量的工作和研究，以创建算法来自动对锥形或倾斜切片区域中的零件以及其他可以定期打印的部分进行切片。如果您对这个主题感兴趣，还请务必查看 Rene Mueller 在xyzdims.com上的工作，他在那里开发了这样一个通用切片软件。

△一些 Renes 在 XYZdims.com 工作

但是您如何看待 4 轴 RotBot 和锥形切片？您是否只在小众应用程序中看到它，或者您希望一种或什至两者都可用于主流机器？

更多信息

RotBot 工具头文件：https ://www.printables.com/model/288723-4-axis-modification-for-mk3s-with-rotational-print

锥形切片机：https ://github.com/RotBotSlicer/Transform

关于 RotBot 和锥形切片的论文：https ://www.mdpi.com/2076-3417/11/18/8760

Rene Mueller 的通用切片：https ://xyzdims.com