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關(guān)于多軸3D打印

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如同大多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域一樣，3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)新永無(wú)止境。我們不斷收到關(guān)于新材料、優(yōu)化工藝以及曾經(jīng)看似科幻的應(yīng)用的新聞。在此背景下，基于材料沉積的多軸3D打印技術(shù)已成為一種趨勢(shì)，不斷突破技術(shù)極限。但它的工作原理是什么？它有哪些優(yōu)勢(shì)？目前有哪些解決方案？

多軸3D打印究竟是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是一種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使打印機(jī)擁有比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器更多的“關(guān)節(jié)”。傳統(tǒng)的3D打印機(jī)，無(wú)論是笛卡爾坐標(biāo)系、CoreXY還是Delta，都只能在三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)（前后、左右和上下），而多軸系統(tǒng)則增加了旋轉(zhuǎn)和傾斜功能，理論上可以達(dá)到5軸、6軸甚至更多軸。這種運(yùn)動(dòng)自由度不僅限于噴嘴；根據(jù)機(jī)器的架構(gòu)，旋轉(zhuǎn)可以發(fā)生在打印頭、構(gòu)建平臺(tái)或兩者上，并且兩者可以協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。這使得打印頭能夠沿著零件的曲面旋轉(zhuǎn)，垂直沉積材料，而不是像傳統(tǒng)方式那樣逐層打印。這個(gè)過程也稱為非平面制造。

多軸3D打印的優(yōu)勢(shì)

噴嘴與工件接觸點(diǎn)方向的可控性克服了熔融材料沉積中最常見的局限性：

消除支撐：通過在打印過程中傾斜零件或打印頭，懸臂結(jié)構(gòu)可以依靠已打印的材料支撐，從而消除材料浪費(fèi)和手動(dòng)后處理時(shí)間。

結(jié)構(gòu)完整性和各向同性：在標(biāo)準(zhǔn)打印中，零件層間通常存在脆弱性（各向異性）。多軸打印系統(tǒng)使材料層與物體所受力的方向保持一致，從而倍增其強(qiáng)度，并在各個(gè)方向上提供近乎均勻的性能。

表面光潔度提升：通過消除曲面上的“階梯效應(yīng)”，粗糙度顯著降低，從接近38微米降至僅12微米。根據(jù)多項(xiàng)研究，這可獲得光滑的紋理，幾乎無(wú)需打磨。

為了使這套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，硬件和軟件之間的完美同步至關(guān)重要。硬件方面，有穩(wěn)定性高的龍門架系統(tǒng)，以及以靈活性著稱的機(jī)械臂。軟件則扮演著系統(tǒng)大腦的角色：諸如ADAXIS的AdaOne或5 Axis Slicer等工具負(fù)責(zé)軌跡規(guī)劃，以避免機(jī)械臂與工件之間的碰撞，并實(shí)時(shí)優(yōu)化材料流動(dòng)。

在多軸3D打印中，材料會(huì)跟隨零件的實(shí)際幾何形狀（圖片來(lái)源：斯圖加特大學(xué)（左）和MAGE Printing（右））。

該過程的應(yīng)用

由于能夠控制空間和材料，多軸系統(tǒng)已成為以下關(guān)鍵領(lǐng)域的寶貴工具：

航空航天：制造渦輪葉片和帶有優(yōu)化內(nèi)部冷卻通道的輕質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)。

施工：使用機(jī)械臂打印懸臂角度達(dá)60度的混凝土墻和立面

維修和保養(yǎng)：修復(fù)金屬零件磨損區(qū)域，而無(wú)需重新制造。

電子學(xué)：將導(dǎo)電電路直接印刷到曲面或有機(jī)表面上。

最后，目前市場(chǎng)主要由DMG Mori、Meltio和Mazak等混合系統(tǒng)制造商主導(dǎo)，這些制造商已成功將金屬3D打印和銑削精度集成到一臺(tái)機(jī)器中。多軸系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，桌面3D打印領(lǐng)域的研究和開發(fā)正在加速推進(jìn)。最近的一個(gè)例子是Aibuild與Generative Machine Company的合作，雙方共同打造了一款面向?qū)I(yè)用戶的五軸桌面打印機(jī)。這款打印機(jī)將于2026年上市，旨在讓工程師和設(shè)計(jì)師能夠更便捷地使用多軸設(shè)計(jì)技術(shù)。