剑桥天才少年玩了个大的!全新4轴FDM3D打印设备图纸+代码全开源,打印悬垂角可达90度!

科技   2024-12-07 10:03   美国  
全文3300字,阅读需7分钟。本文分享JoshuaBird在Github的3D打印开源项目:全套图纸+切片算法,每个创客都能复刻的全新4轴FDM设备。
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AM易道导语
3D打印开源社区迎来重大创新!

一位帅气阳光的剑桥大学计算机系学生Joshua Bird凭借天马行空的想象力,颠覆了传统3D打印的设计理念,开发出一款突破性的4轴FDM打印机。

更令人振奋的是,这位极客少年选择将所有技术完全开源,包括硬件设计、控制代码和切片算法!

让人惊叹的是,这台打印机仅需300-400美元的材料成本,却能实现90度以上的悬垂打印!
要知道,这在传统FDM打印领域可是个老大难问题。

网友热情评价道:这个男人一手推动了3D打印社区的技术进步!而且还是开源,伟大无需多言!
今天,让我们一起深入解析这个重量级开源项目的技术细节!
AM易道已将所有开源资料放在本文最后。
先上介绍视频(AM易道译制,可能有翻译错误)
突破常规的核心创新
"为什么所有的3D打印机看起来都一个样?"这个问题促使这位剑桥学子开始了他的创新之旅。
在3D打印机已发展30余年的今天,市面上的打印机不是动床结构就是Core XY,创新似乎遇到了瓶颈。
但这位天才少年却开辟了一条全新道路—他将极坐标(Polar,打印平台可旋转)系统与自创的核心R-θ(Core R-Theta)设计完美结合,打造出了一款前所未有的混合式4轴打印机构。

这种设计让人不禁想到经典的Core XY,但其实内里大有乾坤。
最令人拍案叫绝的是其运动控制系统:两个固定的步进电机通过一个精心设计的单环皮带来实现X轴线性运动和喷嘴旋转的完美配合。

当这对电机反向转动,X轴进行直线运动;当它们同向转动,喷嘴则进行旋转。
这种巧妙的设计,让人不禁感叹:"原来3D打印机还可以这样设计!"

网友评论道,“一个皮带控制两个轴,简直是天才!”
更令人惊喜的是系统的灵活性—通过调整两端滑轮的尺寸,使用者可以根据具体需求优化不同轴之间的扭矩比。
这种可调节性为不同应用场景提供了极大的适应空间。
AM易道认为,这种设计思路的突破,不仅展现了年轻一代极客的创新潜力,更向整个3D打印行业展示了一个重要信号:
突破性创新往往来自对基础架构的重新思考。
这台打印机的诞生,可能会成为桌面级3D打印机进化史上的一个重要转折点。
突破传统FDM:90度以上悬垂不是梦!
在传统FDM打印领域,45度是个魔咒般的存在—任何超过这个角度的悬垂结构,几乎都需要支撑才能完成打印。
但这台神奇的4轴打印机彻底打破了这个限制!
通过喷嘴的360度自由旋转,它不仅能轻松应对90度悬垂,甚至能打印超过90度的复杂结构!

这种突破性能力来自两个关键创新:首先是硬件层面的喷嘴旋转系统。
这套系统通过精妙的机械设计,让喷嘴能够在打印过程中实现近乎完美的姿态调整。

想象一下,当打印机在制作一根向外延伸的树枝时,喷嘴会像魔术师的手指一般,不断调整角度,始终保持最佳的出料方向。
其次是软件层面的非平面切片算法。这位极客少年开发的Python切片程序堪称点睛之笔!

它能够智能分析模型结构,自动规划最优的打印路径和喷嘴角度。
更令人兴奋的是,这个切片程序完全开源,任何人都可以通过简单的Python notebook在几分钟内完成切片!

硬件设计:简约中的精妙

纵观整机设计,处处彰显着简约而不简单的工程美学。
Z轴采用双线性导轨设计,X轴使用单线性导轨,这种配置在保证精度的同时也让成本控制在合理范围内。
打印平台可以选用铝基PCB或普通木板,充分考虑到了DIY爱好者的实际需求。

最妙的是其冷却系统设计—项目采用普通的水族箱气泵作为送风动力,通过两个喷嘴将压缩空气精准送到打印位置。

这种看似简陋的方案,实际效果却出人意料的好!为了减少噪音,作者还想出了用橡皮筋悬挂气泵的妙招,将振动降到最低。
AM易道认为,用最简单的方案解决复杂问题,将有限的成本投入到最关键的部位。
这正是开源硬件设计的精髓所在!

神奇的切片算法:开启非平面打印新浪潮

如果说硬件创新让这台打印机与众不同,那么其配套的切片算法则让它更显神通广大。
作者开发的切片程序分为两个版本:基础版采用改良的锥形切片算法,能够处理简单的悬垂和桥接结构;

而正在开发的高级版本更是野心勃勃,目标是实现全自动的非平面切片优化。
让我们看看基础版是如何工作的:

首先将STL模型进行抛物线变形,然后用传统方式切片,最后再将切片路径反向变形回原始形状。
这种看似简单的方法能实现渐进式的喷嘴角度调整,真可谓"大道至简"!

网友热评道:“这就是非平面切片应有的样子,有了这种设计,如果您只想运行常规 gcode,您甚至不需要使用旋转轴,但也可以进行非平面操作。经过深思熟虑,设计非常出色。

开源固件:让不可能变为可能

当这位剑桥极客最初构思这个项目时,最担心的就是固件问题。

市面上主流的Marlin和Klipper固件都不支持额外的旋转轴,这本该是个难以跨越的技术门槛。

但机缘巧合之下,他发现了一个被严重低估的宝藏—RepRap固件。

通过RepRap固件,还支持作者购买市场上常见的控制板,作者成功实现了他的Core R-Theta极坐标混合设计。

实践指南:从零开始的开源之旅

对于想要复刻这台打印机的爱好者,这里有一份详细的起步指南:

首先,在项目的GitHub仓库中你能找到:

  • 完整的3D打印件设计文件



  • 详细的BOM清单

    其中包含了常规零件:

    铝型材:标准的2020和2040型材

    导轨系统:常见的MGN系列

    电机选型:标准的Nema17步进电机

    传动系统:GT2同步带和标准规格滑轮


  • 组装说明文档详见:

    https://mycam641.autodesk360.com/g/shares/SH30dd5QT870c25f12fcf82c385dbe23a74f


  • Python版本的切片程序



  • PCB设计文件


和稚晖君类似的天才极客即将入职与美军方深度关联的科技公司
对于刚毕业的大学生Joshua来说,其创新能力和知识储备令人惊叹。

网友对于Joshua的评价是“你的说话方式和知识让我以为你是一名 40 岁的软件工程师。最后的面部摄像头让我大吃一惊
如此天才而又阳光的创客,让我们想起稚晖君带给我们的一个个技术突破吗?
如今这位就读于剑桥大学计算机系的阳光帅气极客,正如当年的稚晖君一样,用一个个开源项目改写着创客世界的游戏规则!
他的主页joshuabird.com简直是项目宝库!

从三年前轰动GitHub的LED魔方,到自制3D打印相机,再到这次突破性的4轴打印机,他的项目清单简直就是极客梦想。

就像稚晖君让机器人技术变得平民化一样,这位剑桥学子也在努力让高端3D打印技术走进普通创客的工作室。
Joshua Bird开发的非平面切片算法,让普通FDM打印机变4轴从而突破极限,这也是开源精神的最好诠释。

而令开源社区扼腕叹息的消息:

这位带给我们4轴打印黑科技的剑桥极客,即将加入美国数据分析巨头Palantir!

硅谷科技巨头Palantir与美军的关系可以说是"血脉相连"!

这家由硅谷传奇人物Peter Thiel创立的数据分析帝国,从诞生之日起就深深植根于美国军事情报体系。不仅创立初期就获得了CIA投资部门In-Q-Tel的投资,更是陆续拿下了美军多个核心情报系统项目。

作为已经在3D打印开源社区掀起波澜的极客,AM易道站在3D打印从业者角度来看,他选择投身军工背景的科技巨头,不得不说有些可惜。

AM易道最后聊两句

这个项目的未来发展令人期待。

作者已经在规划下一步的升级方案:将其改造成陶泥/陶瓷3D打印机,并增加CNC铣削功能。

这意味着这台FDM打印机可能演变成一个全新的挤出陶泥打印设备!

AM易道认为,这个项目的意义远不止于一台创新的打印机。

在看似成熟的技术领域,依然存在巨大的创新空间。

更重要的是,这个项目完美诠释了开源精神的力量。

这台打印机的每一个零件、每一行代码,都在向世界传递着一个信息:技术创新的大门应该向每个人敞开。

我们也呼吁AM易道读者,以此项目催生的创新, 能够严格按照Github和作者Licencse的规则继续开发优化。

资源获取指南

如果你也想加入这场创新,请在AM易道公众号内回复“4轴FDM”下载开源代码和设计文件,也可以自己访问Github项目。

  • https://github.com/jyjblrd/Radial_Non_Planar_Slicer
  • https://github.com/jyjblrd/4-Axis-Polar-3D-Printer
  • https://github.com/Duet3D/RepRapFirmware

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