【導(dǎo)讀】3D打印機(jī)，也被稱(chēng)為快速成型設(shè)備。它是利用普通打印機(jī)的原理，將打印機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，把原料裝入機(jī)身，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制，用打印頭將原料一層一層累積起來(lái)，最后將計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。3D打印機(jī)在90年代中期就出現(xiàn)，在過(guò)去十年里，它已經(jīng)被設(shè)計(jì)師、工程師以及科學(xué)家用來(lái)制造一次性的各種產(chǎn)品以及模型。他們通過(guò)一層一層堆積的液體和粉末來(lái)生產(chǎn)物體。
三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來(lái)三維打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。這項(xiàng)技術(shù)目前正迅猛發(fā)展，已越來(lái)越引起人們的廣泛重視。3D打印技術(shù)作為一種高科技技術(shù)，綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)，光化學(xué)以及材料科學(xué)等緒多方面的技術(shù)和知識(shí)，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療用品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者，第一時(shí)間方便輕松的獲得全彩色實(shí)物模型，便于重新修定CAD設(shè)計(jì)模型，從而節(jié)省了為錯(cuò)誤設(shè)計(jì)制造工藝裝備的費(fèi)用，并節(jié)省了研制時(shí)間。
3D打印機(jī)主板芯片Arduino
上圖所示的主板是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件。其核心是一片Sanguino，它是一塊Arduino兼容的主板由一塊ATMEGA644P(＄4.2975)芯片驅(qū)動(dòng)。Arduino是源自意大利的一個(gè)開(kāi)放源代碼的硬件項(xiàng)目，該平臺(tái)包括一片具備簡(jiǎn)單I/O功效的電路板以及一套程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。Arduino可以用來(lái)開(kāi)發(fā)可獨(dú)立運(yùn)作、并具互動(dòng)性的電子用品，或者也可以開(kāi)發(fā)出與PC相連的周邊裝置，同時(shí)能在運(yùn)作時(shí)與PC上的軟件進(jìn)行溝通。
Arduino 平臺(tái)由兩部分組成：硬件（包括微控制器、電路板等）和軟件（編程接口和語(yǔ)言）。平臺(tái)的兩個(gè)部分都是開(kāi)源的。如果需要，您可以下載 Arduino 的圖表、購(gòu)買(mǎi)需要的所有獨(dú)立部件、切割電路板并從頭開(kāi)始制作一個(gè)電路板。同樣地，Arduino 旨在提供一個(gè)簡(jiǎn)單的界面和一個(gè)將所有功能集于一身的包，同時(shí)嘗試提供其他優(yōu)點(diǎn)：低成本，可以從頭開(kāi)始構(gòu)建便宜的 Arduino 板，并且預(yù)組裝的組件十分便宜；跨平臺(tái)軟件，獲得適用于 Microsoft Windows、Mac OS X 和 Linux 的 Arduino 軟件；簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，Arduino 開(kāi)發(fā)人員嘗試使語(yǔ)言可以被初學(xué)者輕松掌握，但是對(duì)于高級(jí)用戶足夠靈活；開(kāi)放源碼，Arduino 從上到下完全是開(kāi)源的，如果需要構(gòu)建或修改軟件，您可以隨意執(zhí)行。此外，Arduino 的官方 Web 站點(diǎn)包含豐富的維基，其中的代碼樣例和示例都是免費(fèi)共享的；Arduino成本低功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，滿足了低成本3d打印機(jī)項(xiàng)目的需求，是理想選擇。該主板連接了所有的周邊擴(kuò)展，用來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)3d打印機(jī)，其中包含了3個(gè)步進(jìn)電機(jī)接口，還有四個(gè)RJ45接口用于連接擠壓控制電路板，該電路板用于控制打印頭，此外主板上還配備一個(gè)SD卡插槽及ATX電源接口。
以下為該主板最新版本的電路原理圖：
步進(jìn)電機(jī)控制板
該電路板用于控制步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)兩個(gè)極限開(kāi)關(guān)來(lái)獲得輸入?；贏llegro A3982(＄1.9920) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。此步進(jìn)控制芯片價(jià)格和性能上都有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，滿足3D打印機(jī)低成本和功能充足的特性。
以下為該電機(jī)驅(qū)動(dòng)板最新版本的電路原理圖：
打印頭控制板
該電路板由PWM驅(qū)動(dòng)板，DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，溫度傳感板，RS485(＄49.9800)接口和一塊Arduino組合而成。該板用于控制在打印過(guò)程中的材料輸出。
以下為該打印頭驅(qū)動(dòng)板最新版本的電路原理圖：
機(jī)械結(jié)構(gòu)
3D打印機(jī)造柔性電路板制造
這是利用它來(lái)制造柔性電路板（FPC）可能就鮮為人知了。事實(shí)上不管多薄的銅箔，甚至只是一塊導(dǎo)電布材料，F(xiàn)PC都可以用3D打印機(jī)來(lái)進(jìn)行蝕刻。任何厚度的FPC常用材料例如FR4也可以用此方法蝕刻。
第一步：設(shè)計(jì)方法
PLA，尼龍，ABS和大多數(shù)的耗材都很難有效的用2D打印機(jī)粘在銅箔上，因此也難以蝕刻成想要的電路。但是， Ninjaflex材料可以這個(gè)難題，它幾乎可以粘上任何材料，包括亞克力、藍(lán)色印刷膠帶和玻璃。電路板的線路可以通過(guò)像123D Design這樣的免費(fèi)軟件來(lái)繪制，它可在銅箔板或者是導(dǎo)電布上繪制線路。從第一幅圖不難看出，能利用常用氯化鐵蝕刻方法。上述圖片展示的是電路試驗(yàn)板和穿孔板，孔中心距為0.1英寸。這與其它的0.1英寸標(biāo)準(zhǔn)的管腳中心距元件相匹配。第二幅圖是完成的電路板，一個(gè)Picaxe微控制器。如果要設(shè)計(jì)一個(gè)輕且薄的電路板，這樣設(shè)計(jì)完全沒(méi)問(wèn)題。不過(guò)，如果對(duì)繞著性要求高的話，這些器件距離需要設(shè)計(jì)得更遠(yuǎn)。
第二步：準(zhǔn)備材料
現(xiàn)在需要準(zhǔn)備3D打印耗材，我用的是Makerbot Replicator 2，不過(guò)其他品牌的打印機(jī)通過(guò)同樣的擠出機(jī)也可以。白色的Ninjaflex材料，之前有試過(guò)黑色和無(wú)色透明的Ninjaflex，但是附著性沒(méi)有白色的好，也許可以試試其它的顏色。工具包括：剪刀；純銅滌塔夫面料（0.02英寸）；超薄銅箔電路板（小于0.01英寸）；潔凈的襯里材料；樂(lè)泰膠；123D Design或者其它可生成并且運(yùn)行STL文件的3D軟件；氯化鐵，可以嘗試用其它的蝕刻液；鋼絲球；丙酮；布基膠帶。
第三步：設(shè)計(jì)電路圖
繪制線路，123D Design可設(shè)計(jì)線路以及圖形，繪制完圖形后將噴出0.011英寸厚度的薄膜。0.06英寸的線路寬度和0.04英寸的線距是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，可匹配元件的管腳間距。隔離條的使用，在繪制圖案邊上還需添加一個(gè)隔離條，當(dāng)打印圖案時(shí)隔離條可根據(jù)不同的電路板材料的厚度進(jìn)行調(diào)整。0.7英寸以下都可制作。如果需要更厚的板材，則需要壓住底部的隔離條，以便做出合適的厚度。
第四步：調(diào)整3D打印機(jī)
如果使用ninjaflex材料進(jìn)行打印，需要對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行調(diào)整。
檢查擠壓機(jī)，用Ninjaflex打印之前調(diào)整好擠壓機(jī)，才能正常完成工作。在Makerbots 的舊版打印機(jī)Replicator 2安裝一個(gè)擴(kuò)充成套工具，另外需要為此下載一個(gè)Thingiverse驅(qū)動(dòng)快。如果你用的是其他的打印機(jī)型號(hào)，則需要確定Thingiverse的驅(qū)動(dòng)快是否匹配你的打印機(jī)。因?yàn)樵谳S承與齒輪之間存在很小的間隙，這會(huì)導(dǎo)致很多問(wèn)題產(chǎn)生。銅箔上的鍍層誤差只允許在很小的范圍內(nèi)，如果噴劑沒(méi)有很好的粘上，后續(xù)的蝕刻也會(huì)不徹底。所以機(jī)床必須保持非常平整并水平。可用標(biāo)準(zhǔn)刻度對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，將其印在機(jī)床的中間，然后在每次打印結(jié)束后都保證0.02英寸的誤差范圍內(nèi)，這一步非常關(guān)鍵。
第五步：固定電路板
待打印的電路板材料在機(jī)床上必須是平整水平的，唯一的辦法就是用噴劑膠粘住。在固定之前，先擦掉這塊板子的氧化層。
第六步：打印電路板線路
在打印完線路后，檢查油墨是否有效的粘在電路板上，如果間距太小則需要調(diào)整123D Design的STL文件，并且加厚隔離條。
第七步：蝕刻電路板
把板子從打印機(jī)上取出后，需要注意不能在Ninjaflex上進(jìn)行任何的擠壓動(dòng)作，然后清理機(jī)床。用丙酮清洗電路板底部的殘留膠，這樣有助于底層的銅箔能蝕刻徹底。接著就是將電路板放在標(biāo)準(zhǔn)的氯化鐵蝕刻液中。
第八步：蝕刻導(dǎo)電布
蝕刻導(dǎo)電布可以制作繞折性更好的電路板，這個(gè)對(duì)需要反復(fù)性彎折的電路非常有用。接下來(lái)的蝕刻過(guò)程和上述的方法一樣，不過(guò)還要注意加一點(diǎn)：在此電路板材底面需有加強(qiáng)板。如果導(dǎo)電布和加強(qiáng)板的厚度大于0.007英寸，則需要調(diào)整隔離條。導(dǎo)電布的蝕刻速度只需要5分鐘左右。
第九步：結(jié)束語(yǔ)
上述的電路板樣品線路中心間距是0.1英寸，目前做過(guò)最細(xì)的是0.03英寸線寬和0.05英寸的線距。這個(gè)間距適合可制作SOIC電路。Ninjaflex材料幾乎可以打印所有物體，它的優(yōu)點(diǎn)是附著性佳、柔韌性好。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在3D打印機(jī)在電影動(dòng)漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領(lǐng)域都能發(fā)揮獨(dú)特的作用。在教育領(lǐng)域，3D打印機(jī)能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實(shí)世界，將學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸?shí)立體彩色模型，令教學(xué)更為生動(dòng)；在建筑領(lǐng)域，3D打印機(jī)能夠?yàn)榍娈愋谓ㄖ闹匾軜?gòu)件快速制作精確模型，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑模型制作無(wú)法達(dá)到的工藝水平；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，3D打印機(jī)可以為金屬鑄件直接打印模型、模型插件和圖案；在地理空間領(lǐng)域，3D打印機(jī)可以輕松將GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地形及城市景觀模型或沙盤(pán)；而在娛樂(lè)藝術(shù)領(lǐng)域，3D打印機(jī)還可根據(jù)電子游戲、三維動(dòng)畫(huà)以及其他創(chuàng)作產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像。
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