3D打印机的结构通常都是根据打印材料、打印要求而设计，但是其具体的机械结构都是有理可寻的。不同的3D打印技术都有着不同的结构，但同为增材制造都是逐层制造，所以其原理类似。对于3D打印机结构的研究不单单针对某一种打印技术，而应该是通用的结构。通过对现有的3D打印机的结构进行总结分析，有助于进一步推动3D打印机的发展。

1、3D打印机以坐标系类型分类

常见的3D打印机为了完成三维立体打印，都需要以不同的方式在三维空间中进行定点定位，这时就需要利用坐标系来实现定位。而在3D打印机研究进展中，常见的不外乎为笛卡尔坐标系结构、极坐标系结构两种。

笛卡尔坐标系结构是最常见的结构，是在各种3D打印技术上都是十分普遍的结构。其优点在于结构简单，方便制造，但其缺点也较明显，由于采用直角坐标系，在进行弧面以及圆弧打印时，其只能通过圆弧插值的方法进行打印，就会导致打印精度较差，打印的圆弧面会有阶梯状的凸起。

常见的基于笛卡尔坐标系的3D打印机涉及X、Y、Z三个向的运动，而喷头与打印平台的运动方式可以归纳为3类：

（1）喷头做X轴和Y轴方向的运动，打印平台独立做Z轴方向运动。该运动形式，喷头较工作台而言具有质量小、体积小等特点，适合高精度紧凑型3D打印机。但打印机喷头在XY平面做复合运动会影响喷头的正常出料，从而导致打印质量的下降。

（2）喷头做X轴（或Y轴）和Z轴方向运动，打印平台独立做Y轴（或X轴）方向的运动。或者喷头独立做X轴（或Y轴）方向运动，工作台做Y轴（或X轴）和Z轴方向的运动。这运动形式将Z轴与X轴（或 Y轴）结合进行复合运动，具有较小的运动惯量，且打印喷头和工作平台所需的运动空间较小，整体结构较为简单，广泛应用于小型家用3D打印机结构设计。 

（3）打印平台作X轴和Y轴方向的复合运动，喷头仅在Z轴方向独立运动。该运动形式的打印机结构简单紧凑，但对于Z轴运动控制精度要求较高，由打印平台在XY平面的移动需要较大的空间，且工作台质量较大，不能用于较快速度的打印。

极坐标系结构则是在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系，由于其原理的特殊性，所以其打印结构可以简化，从而使其运行安静，外形别致，把复杂机械结构完成的动作都交给软件端来完成，尽量保持机械结构的简单。

其优点在于可以用较小的3D打印机打印较大的物件，且可以较高精度的打印弧面，有打印速度快，稳定性好和控制简单等；缺点就是对软件部分要求较高，需要大量计算。

极坐标系（左）与直角坐标系（右）3D打印机

2、3D打印机以外观结构分类

目前极光创新商用3D打印机的外观结构主要有三角型结构、矩形杆式结构、矩形盒式结构、并联臂结构这四类，不同的结构有着各自的特点以及使用场景，如下图所示。

（a）为三角型结构（b）为矩形杆式结构（c）为矩形盒式结构（d）为并联臂结构

不同外形结构的3D打印机

三角型结构是以三角形框架组成，框架呈屋顶形，外观结构小巧，结构简单，由于其结构优势，打印喷头在支架中样沿X、Z轴运动，在Y轴方向可以伸出较远，增加了Y轴方向的打印尺寸。而其缺点在于机体的制作精度较低，通常只能达到mm级，在打印时打印物体随热床在Y轴前后移动容易导致黏附不牢。

矩形杆式结构是一个立方体结构，通常由杆件与固定件搭建成框架结构，打印喷头安装在框架内部与工作平台进行运动组合，完成三维立体的打印。矩形杆式结构不但能媲美盒式结构组装精度，还同样具有三角形结构简单可靠的特点。但是其同样具有打印过程抖动较大，容易产生较大的位置误差，打印过程难以维持工作台的水平。

矩形盒式结构是商业化最为普遍的形式，从整个3D打印的发展历程来看，这种形式的机器也是发展较为完整的机器。整体安装精度高，商业化的3D打印机通常都会采用这种结构。通常采用矩形盒式结构的FDM技术的3D打印机，内部多用同步带结构，当打印速度过快时会产生较大的振动，影响打印精度。此种结构不只是FDM技术的3D打印机会采用，其他类型的打印技术也经常采用。

并联臂结构是一种闭链机构，其中较为典型的并联机构有Delta结构与Stewart结构，其中Delta结构是一种早先应用于机械臂的并联式运动结构。其通常采用三分支并联臂，根据各个分支在Z轴方向的运动，转变为喷头在三维空间的运动，从而实现三维打印。

该种结构较简单，而且打印精度高，打印速度快，缺点就在于需要大量的计算将各个分支的Z轴运动转变为喷头的运动。该种结构具有优良的性能，只是对软件要求较高，在3D打印机领域具有重要的发展前景。

3D打印机都是通过打印平台黏接固定打印零件，在Z轴方向逐层堆叠，从而形成三维立体结构。不管是FDM技术还是SLS技术的其成型原理一致，所以其大体结构存在相似性。

极光创新来告诉你：传统的3D打印机都是由外部框架支撑，以电机为动力源，以同步带或者丝杆等机构进行传动，根据实际需求选择喷头与打印工作台的运动形式，从而完成立体结构的打印。常见的光固化打印技术与选择性激光烧结技术这类3D打印技术略有不同，其类型的3D打印机没有喷头，但有材料供给的机构，其机构原理类似与喷头，都是将材料送至打印区域。

传统的3D打印机，在日渐发展的3D打印中已经不能满足打印需求，目前主流的3D打印机已经从之前的三自由度机构逐步向多自由度发展，3D打印机的喷头机构也同样在进行改变，从单口向多口发展。结构也不在局限于简单的结构，目前已经有将5自由度的机械臂用于3D打印机，或者结合并联结构增加工作平台的自由度从而实现多自由的打印。