5轴3D打印机:最新进展

传统的FDM 3D打印机可以具有许多设置，其中最受欢迎的是笛卡尔和三角洲。这些打印机的运动系统各不相同，但是一个共同的特点是刀头在X、Y和Z平面中线性移动。所有这些设置都有可能产生几何形状的限制，并且通常仅由于沿一个方向（自上而下）进行沉积，因此通常需要支撑结构。

通过增加额外的运动轴，可以创建复杂而复杂的几何形状而不会影响表面质量或增加额外的支撑。长期以来，传统的制造行业已经用CNC铣床的5轴系统完成了类似的工作。

您可能想知道这两个额外的轴怎么实现的呢，因为坐标系只有X，Y和Z平面。答案是通过轮换。三个旋转轴分别标记为A，B和C，它们分别绕X，Y和Z轴旋转。

下图显示了所有三个线性轴以及三个旋转轴。

5轴机床通常除了线性轴外，还使用轴A和B。尽管可能，但六轴机床并不是很常见，因为第六轴实际上带来的优势很少（与机床复杂性有关）。

特别是对于3D打印，具有两个额外的轴不仅可以完全消除支撑结构，而且还可以消除动态的非平面表面。这为更高质量的表面光洁度，更大的设计灵活性和更大的零件强度提供了新的可能性。通过从不同方向进行打印，与仅在Z方向上堆叠层相比，零件可以更坚固。

尽管此解决方案似乎可以解决当前许多3D打印问题，但5轴3D打印并非没有其自身的问题。首先，机器动力学比3轴3D打印要复杂得多。而且，由于大多数切片器都假定在单个方向上堆积了层，因此切片过程也成为问题。这意味着某些刀具路径必须在更复杂的CAM软件中手动计算，尤其是在3D打印非平面表面的情况下。

尽管5轴3D打印仍然有很多限制，但我们将在本文中看到，这不仅是可能的，而且是可以实现的。请注意，市场上仍在开发中的大多数机器都是混合系统。换句话说，它们是具有多种功能的可更换刀头的通用CNC系统。

也就是说，让我们深入研究一些我们认为最有趣的机器和项目，这些机器和项目使用五个（甚至六个）轴进行增材制造。

5AxisMaker是一个桌面制造系统，该系统利用了多种工具头，包括一个用于3D打印。该项目于2014年在Kickstarter上首次启动，并承诺了多种功能，包括CNC铣床，剪线钳，喷水器，甚至是测头。

在撰写本文时，这家英国公司提供了四种不同的模型，这些模型的构建大小各不相同。所有型号均包括一个15,000 RPM的CNC铣削主轴和一个带有0.6毫米喷嘴的3D打印挤出机头。请注意，5AxisMaker没有加热床，因此您在使用哪种材料方面会受到一定的限制。

最便宜的型号5xm400售价约为6,530美元（5,000英镑），这可能是市场上最容易接近的5轴机床。尽管可能大多数制造商和发烧友都无法承受，但是对于复杂的5轴系统来说，这并不是很多钱。每种型号均可通过在线商店在全球范围内购买。

• 整体尺寸（5xm400）： 790 x 580 x 800毫米
• 构建体积（5xm400）： 400 x 400 x 400毫米
• 机械分辨率： 36微米（X，Y，Z轴）
• 标准喷嘴尺寸： 0.6毫米

Ethereal Machines是一家位于印度的3D打印机制造商。该公司最近因其旗舰产品5轴3D打印机CNC混合动力Ethere al Halo而引起了广泛关注。实际上，他们在2018年被授予CES“最佳创新”奖。

Halo确实是一台混合动力机器，它允许3D打印和CNC铣削在同一零件上一起工作。底板和刀头均沿标准X轴，Y轴和Z轴移动，而床身中的额外旋转提供了两个附加轴。它可以生产来自ABS，PLA，PVA，PC，NYLON，PETG等的零件。

该公司声称Halo是“世界上第一台面向消费者的5轴CNC机床和3D打印机”，目前的价格约为25,000美元。

• 整体尺寸： 1300 x 1300 x 1290毫米
• 构建体积： Ø150x 150 mm（5轴）
• 机械分辨率： 60微米
• 标准喷嘴尺寸： 0.4、0.8、1.0毫米

另一家英国公司Q5D Technology于2019年9月在伯明翰的TCT Show上展示了其5轴3D打印机。Q5D是电子公司M-Solv与台式3D打印机制造商CEL-UK的合资企业。

CU500 3D打印机是Q5D的第一款产品，据说仅在18个月内就秘密开发出来。这是一台多功能工具机，带有CNC铣头甚至电线分配器的选件。

该打印机的独特功能是能够在打印作业期间使用电线分配器工具头，以便将常规导线嵌入最终模型中。如果这还不够的话，另一个工具头可以挤出铜浆，然后将其作为导电电路进行后处理。

CU500的每个单元都是定制的，可以满足每个客户的要求。这意味着每台机器将包括不同的工具头，甚至包括自定义构建体积。因此，CU500的定价没有确定，但最终将花费约245,000美元（200,000英镑）。

波兰3D打印机制造商  Verashape也开始使用5轴系统。该原型首次出现在Formnext 2017上，并与波兰国家研究和发展中心联合开发。当时，这台机器被称为Vshaper 500，但尚未投入生产。重新命名的机器Vshaper 5AX计划于5月在华沙推出。

Vshaper 5AX还在其5轴运动系统上结合了不同的刀头。除了用于零件精加工的3D打印挤出机和CNC铣头之外，还有用于零件质量测试的测头。

Vshaper 5AX的圆柱打印直径为300毫米，高度为300毫米，价格可能约为560,000美元（500,000欧元）。

2015年，奥斯陆大学的一名硕士生决定为其论文开发5轴3D打印机。ØyvindKallevik Grutle经过仅3个星期的工作便提出了第一个版本。

第二个版本称为Pentarod，是使用FANUC系统进行运动控制的改良型  RepRap Ormerod。结果是非凡的。

该项目是一个概念证明：Grutle希望验证是否有可能通过在典型的XY平面以外的平面上进行印刷来产生光滑的表面，并避免使用支撑结构。如以下视频所示，这两种假设均已通过Pentarod确认。

由于该项目基于RepRap设计，因此Grutle计划 通过发布所有文件和构建说明来开源5轴打印机。尽管这还没有发生，但是可以下载其硕士学位论文以获取有关开发过程的更多信息。

2017年，来自苏黎世应用科技大学的两名学生Oliver Tolar和Denis Herrmann为6轴3D打印机开发了令人印象深刻的原型。他们项目背后的主要思想是完全消除对支持结构的需求。

与该列表中的其他机器不同，学生们修改了增量3D打印机，以使其构建板绕额外的三个轴旋转。打印床的移动与打印头无关，这使打印床可以正确地正确倾斜，以消除任何悬垂的物体。

奥利弗（Oliver）和丹尼斯（Denis）还编写了软件，用于协调底板和打印头之间的各种运动。这确实是一个了不起的成就。