第2章 3D打印机组装前的准备

2.1 了解Reprap3D打印机

2.1.1 发展历史

促使3D打印机逐渐普及和价格降低的因素有很多，比如3D建模软件的改进、配件的标准化、民众关注度的提高等，而3D打印机采用的开源硬件Arduino是其价格迅速下降的主要原因。开源硬件Arduino是一款电子原型平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套程序开发环境。它为3D打印机提供了一个便宜而又强大的解决方案，加上与其他开源技术的配合，3D打印机的生产门槛越来越低。Reprap是最早使用Arduino作为控制方案的3D打印机，所以大多数以它为“蓝本”的改进产品也是采用Arduino作为主控设备的，图2-1为Arduino开源电路板。

Reprap（Replicating Rapid Prototyper）就是快速自我复制原型的意思，该系列打印机设计初衷就是为了让越来越多的人可以拥有3D打印机。Reprap开源3D打印项目由英国巴斯大学高级讲师阿里德安（Adrian Bowyer）博士创建于2005年，他把安装过程和文件通过开源的方式分享出来，而且Reprap可以打印出大部分的自身（塑料）部件，因此Reprap 3D打印机被称作是可以自我复制的3D打印机。图2-2为Reprap开源3D打印机鼻祖。

图2-1 Arduino开源电路板

图2-2 Reprap开源3D打印机鼻祖

Reprap 3D打印机价格相对低廉，并拥有全世界众多的开发和使用者。近年来Reprap 3D打印机快速发展，很大一部分得益于该项目的开源特性，任何人都可以获得3D打印机的全部资料，可以在别人的基础上改进和传播，且不收取任何费用。

Reprap项目已经发布了多个版本的3D打印机。最早由“达尔文（Darwin）”“孟德尔（Mendel）”逐步发展到类似机型Mendel Prusa系列，Prusa又经历了两代的改进到目前非常流行的Prusa i3 3D打印机。同时还衍生了一系列产品，比如体积更小的Huxley（赫胥黎）3D打印机，以及可以打印三种颜色的TriColor Mendel3D打印机。开发者采用著名生物学家们的名字来命名，因为Reprap就是名副其实的“复制和进化”。

2007年发布了“Darwin”，“Darwin”是方盒状的3D打印机，Z轴通过安装在盒子四角的螺纹杆实现打印平台上、下滑动，打印喷头采用X和Y轴双向移动。图2-3为Darwin（Reprap第1代产品）。

图2-3 Darwin（Reprap第1代产品）

2009年发布了“Mendel”（图2-4），Mendel（Reprap第2代产品）3D打印机呈三角形，用滚珠轴承取代了第一代机型的滑动轴承，减少了摩擦和误差。打印平台沿Y轴移动，打印喷头沿X轴移动，通过两个螺纹杆控制Z轴移动。与第一代相比，Mendel3D打印机有如下几个优点：

1）在节省桌面空间的情况下，提高了打印尺寸。

2）一定程度上解决了Z轴卡住问题。

3）X、Y、Z各方向移动更有效率。

4）简化组装。

5）方便更换打印头。

6）更轻，便于移动。

图2-4 Mendel（Reprap第2代产品）

阿德里安的学生Prusa改进了原始孟德尔机型，在2010年发布了PrusaMendel3D打印机（Reprap的第3代产品，如图2-5所示），然后又继续改进，发布了基本类似的Prusa Mendeli1、Prusa Mendel i2版本。Prusa Mendel是对原始Mendel的修改，简化了设计，更容易安装、修改、打印及修理。

图2-5 PrusaMendel（Reprap第3代产品）

Huxley（Reprap的第3代产品，如图2-6所示）这款3D打印机是原始Mendel3D打印机的小尺寸版，所以也叫Mini Mendel。

图2-6 Huxley（Reprap第3代产品）

阿德里安任教期满后创办了ReprapPro公司，继续研发Reprap3D打印机，把Mendel发展成Mono Mendel和TriColor Mendel。Mono Mendel支持单色打印，而TriColor Mendel支持3色打印，Mono Mendel可以升级为TriColor Mendel。

框架结构的Mendel3D打印机有X轴方向抖动的缺陷，Prusa重新设计了一个框架来解决这个问题，Prusa Mendel i3就诞生了。Prusa Mendel i3的框架可以是亚克力、铝合金的激光切割件，也可以是木盒，因为安装简捷，比原始Mendel美观，又解决了X轴抖动问题，很快，这款机型变得非常流行。

在这期间最重要的一个分支为MakerBot3D打印机。团队成员在最早研究Reprap3D打印机时，突发奇想为什么不把Reprap3D打印机放到一个盒子里面呢，于是就诞生了盒式的MakerBot3D打印机。之后，他们创办了MakerBot公司，并且基于ReprapDarwin研制了第一台盒式3D打印机CupCakeCNC。由于销量不错，2010年他们又研制了Thing-O-Matic盒式3D打印机。

2010年，荷兰的3位年轻创客Siert Wijnia、Martijn Elserman和Erik De Bruijn在Fablab实验室相遇，他们原先各自研究Reprap Darwin有一段时间了，于是开始合作研发一款盒式Reprap3D打印机，后来命名为Ultimaker，并于2011年开始发售，如图2-7所示。Ultimaker有更轻的身材、更快的速度，成为一款广受好评的3D打印机，影响力不亚于MakeBot系列。更难能可贵的是，他们继续走开源路线，而不像MakeBot因为商业利益而转向闭源。

图2-7 Ultimaker3D打印机

2013年年底，阿德里安所在的ReprapPro公司发布了最新Ormerod 3D打印机，这款打印机以昆虫学家Eleanor Anne Ormerod命名。相比于Reprap Mendel和Reprap Huxley，Ormerod 3D打印机外观简洁，安装容易，支持红外测距，解决了复杂的Z平台调整问题，使用新的控制板包含网口并支持网络控制打印；成型体积达到20cm×20cm×20cm，有不接触平台的红外调平功能，可以非常容易地替换加热头，适合不同的打印场景；可以升级挤出机和加热头，并最多支持三头打印。

还有一个重要的分支是三角式的3D打印机，受Mendel3D打印机的影响，HeliumFrog想研制一种并联式3D打印机，他制作了初始的并联3D打印机原型并进行软硬件的验证，称其为“Helium Frog Delta Robot”，设想把机器人式运动方式引入Reprap 3D打印机中，如图2-8所示。

图2-8 Helium Frog Delta Robot 3D打印机

2012年，家住德国罗斯托克（Rostock）的Johann依据Helium Frog的设计研发了一款并联式3D打印机，并以家乡的名字命名这款3D打印机，称其为Rostock，如图2-9所示。

图2-9 Rostock3D打印机

Johann继续改进并联式3D打印机，同年发布了Kossel并联式3D打印机。这款打印机解决了Rostock机型同步带抖动的问题，精度更高，性能更好。经过了几代的改进，从最早的“HeliumFrogDelta Robot”“Rostock”逐步到最新最酷的Kossel3D打印机。