3D打印机DIY设计：硬件+软件的Arduino开源平台

3D打印机，也被称为快速成型设备。它是利用普通打印机的原理，将打印机和计算机连接起来，把原料装入机身，通过计算机的控制，用打印头将原料一层一层累积起来，最后将计算机上的蓝图变成实物。3D打印机在90年代中期就出现，在过去十年里，它已经被设计师、工程师以及科学家用来制造一次性的各种产品以及模型。他们通过一层一层堆积的液体和粉末来生产物体。

三维打印机不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的应用将会更加广泛。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。这项技术目前正迅猛发展，已越来越引起人们的广泛重视。3D打印技术作为一种高科技技术，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术，光化学以及材料科学等绪多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，第一时间方便轻松的获得全彩色实物模型，便于重新修定CAD设计模型，从而节省了为错误设计制造工艺装备的费用，并节省了研制时间。

3D打印机主板芯片Arduino

上图所示的主板是整个系统的核心控制部件。其核心是一片Sanguino，它是一块Arduino兼容的主板由一块ATMEGA644P芯片驱动。Arduino是源自意大利的一个开放源代码的硬件项目，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。Arduino可以用来开发可独立运作、并具互动性的电子用品，或者也可以开发出与PC相连的周边装置，同时能在运作时与PC上的软件进行沟通。

Arduino 平台由两部分组成：硬件（包括微控制器、电路板等）和软件（编程接口和语言）。平台的两个部分都是开源的。如果需要，您可以下载 Arduino 的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并从头开始制作一个电路板。同样地，Arduino 旨在提供一个简单的界面和一个将所有功能集于一身的包，同时尝试提供其他优点：低成本，可以从头开始构建便宜的 Arduino 板，并且预组装的组件十分便宜；跨平台软件，获得适用于 Microsoft Windows、Mac OS X 和 Linux 的 Arduino 软件；简单的语言，Arduino 开发人员尝试使语言可以被初学者轻松掌握，但是对于高级用户足够灵活；开放源码，Arduino 从上到下完全是开源的，如果需要构建或修改软件，您可以随意执行。此外，Arduino 的官方 Web 站点包含丰富的维基，其中的代码样例和示例都是免费共享的；Arduino成本低功能强大的特点，满足了低成本3d打印机项目的需求，是理想选择。该主板连接了所有的周边扩展，用来驱动整个3d打印机，其中包含了3个步进电机接口，还有四个RJ45接口用于连接挤压控制电路板，该电路板用于控制打印头，此外主板上还配备一个SD卡插槽及ATX电源接口。

以下为该主板最新版本的电路原理图：

步进电机控制板

该电路板用于控制步进电机，通过两个极限开关来获得输入。基于Allegro A3982 步进电机驱动。此步进控制芯片价格和性能上都有相对的优势，满足3D打印机低成本和功能充足的特性。

以下为该电机驱动板最新版本的电路原理图：

打印头控制板

该电路板由PWM驱动板，DC电机驱动板，温度传感板，RS485接口和一块Arduino组合而成。该板用于控制在打印过程中的材料输出。

以下为该打印头驱动板最新版本的电路原理图：

机械结构

3D打印机造柔性电路板制造

这是利用它来制造柔性电路板（FPC）可能就鲜为人知了。事实上不管多薄的铜箔，甚至只是一块导电布材料，FPC都可以用3D打印机来进行蚀刻。任何厚度的FPC常用材料例如FR4也可以用此方法蚀刻。

第一步：设计方法

PLA，尼龙，ABS和大多数的耗材都很难有效的用2D打印机粘在铜箔上，因此也难以蚀刻成想要的电路。但是， Ninjaflex材料可以这个难题，它几乎可以粘上任何材料，包括亚克力、蓝色印刷胶带和玻璃。电路板的线路可以通过像123D Design这样的免费软件来绘制，它可在铜箔板或者是导电布上绘制线路。从第一幅图不难看出，能利用常用氯化铁蚀刻方法。上述图片展示的是电路试验板和穿孔板，孔中心距为0.1英寸。这与其它的0.1英寸标准的管脚中心距元件相匹配。第二幅图是完成的电路板，一个Picaxe微控制器。如果要设计一个轻且薄的电路板，这样设计完全没问题。不过，如果对绕着性要求高的话，这些器件距离需要设计得更远。

第二步：准备材料

现在需要准备3D打印耗材，我用的是Makerbot Replicator 2，不过其他品牌的打印机通过同样的挤出机也可以。白色的Ninjaflex材料，之前有试过黑色和无色透明的Ninjaflex，但是附着性没有白色的好，也许可以试试其它的颜色。工具包括：剪刀；纯铜涤塔夫面料（0.02英寸）；超薄铜箔电路板（小于0.01英寸）；洁净的衬里材料；乐泰胶；123D Design或者其它可生成并且运行STL文件的3D软件；氯化铁，可以尝试用其它的蚀刻液；钢丝球；丙酮；布基胶带。

第三步：设计电路图

绘制线路，123D Design可设计线路以及图形，绘制完图形后将喷出0.011英寸厚度的薄膜。0.06英寸的线路宽度和0.04英寸的线距是标准数值，可匹配元件的管脚间距。隔离条的使用，在绘制图案边上还需添加一个隔离条，当打印图案时隔离条可根据不同的电路板材料的厚度进行调整。0.7英寸以下都可制作。如果需要更厚的板材，则需要压住底部的隔离条，以便做出合适的厚度。

第四步：调整3D打印机

如果使用ninjaflex材料进行打印，需要对3D打印机进行调整。

检查挤压机，用Ninjaflex打印之前调整好挤压机，才能正常完成工作。在Makerbots 的旧版打印机Replicator 2安装一个扩充成套工具，另外需要为此下载一个Thingiverse驱动快。如果你用的是其他的打印机型号，则需要确定Thingiverse的驱动快是否匹配你的打印机。因为在轴承与齿轮之间存在很小的间隙，这会导致很多问题产生。铜箔上的镀层误差只允许在很小的范围内，如果喷剂没有很好的粘上，后续的蚀刻也会不彻底。所以机床必须保持非常平整并水平。可用标准刻度对机床进行调整，将其印在机床的中间，然后在每次打印结束后都保证0.02英寸的误差范围内，这一步非常关键。

第五步：固定电路板

待打印的电路板材料在机床上必须是平整水平的，唯一的办法就是用喷剂胶粘住。在固定之前，先擦掉这块板子的氧化层。

第六步：打印电路板线路

在打印完线路后，检查油墨是否有效的粘在电路板上，如果间距太小则需要调整123D Design的STL文件，并且加厚隔离条。

第七步：蚀刻电路板

把板子从打印机上取出后，需要注意不能在Ninjaflex上进行任何的挤压动作，然后清理机床。用丙酮清洗电路板底部的残留胶，这样有助于底层的铜箔能蚀刻彻底。接着就是将电路板放在标准的氯化铁蚀刻液中。

第八步：蚀刻导电布

蚀刻导电布可以制作绕折性更好的电路板，这个对需要反复性弯折的电路非常有用。接下来的蚀刻过程和上述的方法一样，不过还要注意加一点：在此电路板材底面需有加强板。如果导电布和加强板的厚度大于0.007英寸，则需要调整隔离条。导电布的蚀刻速度只需要5分钟左右。

第九步：结束语

上述的电路板样品线路中心间距是0.1英寸，目前做过最细的是0.03英寸线宽和0.05英寸的线距。这个间距适合可制作SOIC电路。Ninjaflex材料几乎可以打印所有物体，它的优点是附着性佳、柔韧性好。

随着技术的进步，现在3D打印机在电影动漫、气象、教育、外科医疗等领域都能发挥独特的作用。在教育领域，3D打印机能够将抽象概念带入现实世界，将学生的构思转变为他们可以捧在手中的真实立体彩色模型，令教学更为生动；在建筑领域，3D打印机能够为曲面异形建筑的重要精密构件快速制作精确模型，实现传统建筑模型制作无法达到的工艺水平；在工业生产领域，3D打印机可以为金属铸件直接打印模型、模型插件和图案；在地理空间领域，3D打印机可以轻松将GIS数据转化为三维地形及城市景观模型或沙盘；而在娱乐艺术领域，3D打印机还可根据电子游戏、三维动画以及其他创作产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像。