【導讀】3D打印機，也被稱為快速成型設備。它是利用普通打印機的原理，將打印機和計算機連接起來，把原料裝入機身，通過計算機的控制，用打印頭將原料一層一層累積起來，最后將計算機上的藍圖變成實物。3D打印機在90年代中期就出現(xiàn)，在過去十年里，它已經(jīng)被設計師、工程師以及科學家用來制造一次性的各種產品以及模型。他們通過一層一層堆積的液體和粉末來生產物體。
三維打印機不僅使立體物品的造價降低，且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機的應用將會更加廣泛。3D打印技術最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。這項技術目前正迅猛發(fā)展，已越來越引起人們的廣泛重視。3D打印技術作為一種高科技技術，綜合應用了CAD/CAM技術、激光技術，光化學以及材料科學等緒多方面的技術和知識，讓產品設計、建筑設計、工業(yè)設計、醫(yī)療用品設計等領域的設計者，第一時間方便輕松的獲得全彩色實物模型，便于重新修定CAD設計模型，從而節(jié)省了為錯誤設計制造工藝裝備的費用，并節(jié)省了研制時間。
3D打印機主板芯片Arduino
上圖所示的主板是整個系統(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)芯片驅動。Arduino是源自意大利的一個開放源代碼的硬件項目，該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境。Arduino可以用來開發(fā)可獨立運作、并具互動性的電子用品，或者也可以開發(fā)出與PC相連的周邊裝置，同時能在運作時與PC上的軟件進行溝通。
Arduino 平臺由兩部分組成：硬件（包括微控制器、電路板等）和軟件（編程接口和語言）。平臺的兩個部分都是開源的。如果需要，您可以下載 Arduino 的圖表、購買需要的所有獨立部件、切割電路板并從頭開始制作一個電路板。同樣地，Arduino 旨在提供一個簡單的界面和一個將所有功能集于一身的包，同時嘗試提供其他優(yōu)點：低成本，可以從頭開始構建便宜的 Arduino 板，并且預組裝的組件十分便宜；跨平臺軟件，獲得適用于 Microsoft Windows、Mac OS X 和 Linux 的 Arduino 軟件；簡單的語言，Arduino 開發(fā)人員嘗試使語言可以被初學者輕松掌握，但是對于高級用戶足夠靈活；開放源碼，Arduino 從上到下完全是開源的，如果需要構建或修改軟件，您可以隨意執(zhí)行。此外，Arduino 的官方 Web 站點包含豐富的維基，其中的代碼樣例和示例都是免費共享的；Arduino成本低功能強大的特點，滿足了低成本3d打印機項目的需求，是理想選擇。該主板連接了所有的周邊擴展，用來驅動整個3d打印機，其中包含了3個步進電機接口，還有四個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：
步進電機控制板
該電路板用于控制步進電機，通過兩個極限開關來獲得輸入?；贏llegro A3982(＄1.9920) 步進電機驅動。此步進控制芯片價格和性能上都有相對的優(yōu)勢，滿足3D打印機低成本和功能充足的特性。
以下為該電機驅動板最新版本的電路原理圖：
打印頭控制板
該電路板由PWM驅動板，DC電機驅動板，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程中的材料輸出。
以下為該打印頭驅動板最新版本的電路原理圖：
機械結構
3D打印機造柔性電路板制造
這是利用它來制造柔性電路板（FPC）可能就鮮為人知了。事實上不管多薄的銅箔，甚至只是一塊導電布材料，F(xiàn)PC都可以用3D打印機來進行蝕刻。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：設計方法
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材料可以這個難題，它幾乎可以粘上任何材料，包括亞克力、藍色印刷膠帶和玻璃。電路板的線路可以通過像123D Design這樣的免費軟件來繪制，它可在銅箔板或者是導電布上繪制線路。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板和穿孔板，孔中心距為0.1英寸。這與其它的0.1英寸標準的管腳中心距元件相匹配。第二幅圖是完成的電路板，一個Picaxe微控制器。如果要設計一個輕且薄的電路板，這樣設計完全沒問題。不過，如果對繞著性要求高的話，這些器件距離需要設計得更遠。
第二步：準備材料
現(xiàn)在需要準備3D打印耗材，我用的是Makerbot Replicator 2，不過其他品牌的打印機通過同樣的擠出機也可以。白色的Ninjaflex材料，之前有試過黑色和無色透明的Ninjaflex，但是附著性沒有白色的好，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；樂泰膠；123D Design或者其它可生成并且運行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：設計電路圖
繪制線路，123D Design可設計線路以及圖形，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英寸的線距是標準數(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隔離條，當打印圖案時隔離條可根據(jù)不同的電路板材料的厚度進行調整。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：調整3D打印機
如果使用ninjaflex材料進行打印，需要對3D打印機進行調整。
檢查擠壓機，用Ninjaflex打印之前調整好擠壓機，才能正常完成工作。在Makerbots 的舊版打印機Replicator 2安裝一個擴充成套工具，另外需要為此下載一個Thingiverse驅動快。如果你用的是其他的打印機型號，則需要確定Thingiverse的驅動快是否匹配你的打印機。因為在軸承與齒輪之間存在很小的間隙，這會導致很多問題產生。銅箔上的鍍層誤差只允許在很小的范圍內，如果噴劑沒有很好的粘上，后續(xù)的蝕刻也會不徹底。所以機床必須保持非常平整并水平?？捎脴藴士潭葘C床進行調整，將其印在機床的中間，然后在每次打印結束后都保證0.02英寸的誤差范圍內，這一步非常關鍵。
第五步：固定電路板
待打印的電路板材料在機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
把板子從打印機上取出后，需要注意不能在Ninjaflex上進行任何的擠壓動作，然后清理機床。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準的氯化鐵蝕刻液中。
第八步：蝕刻導電布
蝕刻導電布可以制作繞折性更好的電路板，這個對需要反復性彎折的電路非常有用。接下來的蝕刻過程和上述的方法一樣，不過還要注意加一點：在此電路板材底面需有加強板。如果導電布和加強板的厚度大于0.007英寸，則需要調整隔離條。導電布的蝕刻速度只需要5分鐘左右。
第九步：結束語
上述的電路板樣品線路中心間距是0.1英寸，目前做過最細的是0.03英寸線寬和0.05英寸的線距。這個間距適合可制作SOIC電路。Ninjaflex材料幾乎可以打印所有物體，它的優(yōu)點是附著性佳、柔韌性好。
隨著技術的進步，現(xiàn)在3D打印機在電影動漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領域都能發(fā)揮獨特的作用。在教育領域，3D打印機能夠將抽象概念帶入現(xiàn)實世界，將學生的構思轉變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸嵙Ⅲw彩色模型，令教學更為生動；在建筑領域，3D打印機能夠為曲面異形建筑的重要精密構件快速制作精確模型，實現(xiàn)傳統(tǒng)建筑模型制作無法達到的工藝水平；在工業(yè)生產領域，3D打印機可以為金屬鑄件直接打印模型、模型插件和圖案；在地理空間領域，3D打印機可以輕松將GIS數(shù)據(jù)轉化為三維地形及城市景觀模型或沙盤；而在娛樂藝術領域，3D打印機還可根據(jù)電子游戲、三維動畫以及其他創(chuàng)作產生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像。
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