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3D打印真的是“万能制造机”吗
3D打印可以实现传统生产工艺难以企及的结构
越来越多的电影开始使用3D打印机制造道具
全球首辆3D打印汽车在加拿大亮相，据称时速可达112公里
美国一位枪械发烧友用3D打印机打出一支枪，引发全球热议
　　前段时间，由成龙执导并担任主演的影片《十二生肖》想必很多人都看过，其中有一个画面就是将圆明园十二生肖兽首的详细数据输入电脑后，“打印机”立即就打印出了与实物一模一样的复制品。你很可能以为这是为吸引眼球而设计的带有科幻色彩的情节，但实际上，这种被称为“3D打印”的神奇技术已经走进现实，并成为各主要军事强国争相研发、应用的“新宠”。有专家预测，未来我们生活中的电器、汽车以及房子，甚至是战场上使用的飞机、大炮、潜艇等武器装备，皆可被打印出来。
　　或将引发新一轮技术革命浪潮
　　旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。其实，3D打印正是发源于军方的“快速成型”技术，早在上世纪90年代就已提出技术研发构想，只不过近几年才出现了突破性进展，似乎一夜之间出现在世人的眼前。2012年，美国《时代》周刊将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则预测，3D打印技术将与数字化生产模式一道，推动新一轮工业革命的来临。
　　那么3D打印又是一项什么技术呢？所谓3D打印技术，是一种由计算机辅助设计软件通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的增材制造技术。它既不需要用纸，也不需要用墨，而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物。由此可见，3D打印技术是一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进综合制造技术。
　　“克隆”造物，似乎无所不能
　　与传统技术相比，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，从而大幅缩短生产周期、提高生产效率。此外，3D打印技术还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼、热交换器等工艺复杂的产品。在生产过程中还没有与其功能无关的剩余物，一旦技术走向全面成熟，将大大降低生产成本。
　　3D打印技术使产品“复制”由平面扩展到了立体空间，其意义远远超过了喷墨到激光、黑白到彩色打印技术的发展，而且它将使装备制造业彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具，改由更加灵巧的电脑软件主宰。以后，长长的流水线、轰鸣机器声都将越来越少，一个人、一台电脑、一部打印机就有可能组成一个“工厂”。因此，专家预测，3D打印技术带来的变化或将改变整个制造业的面貌。
　　目前，国外已经通过3D打印技术成功地打印出了枪支、自行车、汽车、电控飞行器等物。去年，美国3D打印服务提供商已经打印了75万种产品，数量之多令人惊叹。我国的3D打印技术发展也颇为可观，目前世界上最大的3D打印机，正是出自我国的科技工作者之手；包括天宫一号的零部件，也都使用了3D打印技术。
　　随着3D打印技术一路“高歌猛进”，科学家们不禁做出了这样的畅想：未来，也许建筑工地上只需一台超大型的3D打印机，就可以自动打印楼房；也许只给月球发射几台3D打印机，就可利用现地材料打印出一个月球基地；如果生病了某个器官要换掉，无需找匹配的器官源，只要在患者身上取一些干细胞培养成为打印原料，然后打印出一个一模一样的器官进行移植就可以了……
　　注定将在军事应用领域大展身手
　　在军事领域，3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上，无论武器装备处于任何位置，一旦需要更换损毁的零部件，技术保障人员可随时利用携带的3D打印机，直接把所需的部件一个一个地打印出来，装配起来就可以让武器装备重新投入战场。据外媒报道，美国陆军已经加入扩展3D打印行动，为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”，去年8月和今年1月，他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室，实验室由一个6米的集装箱制成，配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具，可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。
　　另外，3D打印还可广泛应用于辅助军事技术研发。有专家预测，未来不仅小型枪支、简单物资可实现打印，军舰、飞机、坦克等大型、复杂的武器装备，甚至食物、军事基地等都可用3D打印机直接或间接“制造”出来。目前，美国军方已使用3D打印技术辅助制造某型导弹弹出式点火器模型，并取得了良好的效果。美国海军也在寻求通过在机器人体内植入3D打印机，使机器人半自动化地实现“相互沟通、协作以及制造”等能力。换言之，就是利用机器人来生产更多的机器人。
　　无所不能，也不能“为所欲为”
　　3D打印技术虽然具有广阔的发展前景，但目前还不可能大量地应用于军工制造领域。具体来看，3D打印又可看做堆积成形技术，每一层材料都有厚度，这就决定了它的精度目前还难以企及传统的减材制造方法。并且打印材料目前也主要限定在塑料、树脂、可粘结的粉末颗粒等等，打印出来物品的强度和硬度都差强人意，与军事需求的标准尚有一定距离。如世界上第一支利用3D技术打印的枪支，在进行第6次射击时就出现了3处严重性破碎。
　　从技术本身来说，3D打印存在的这些缺陷，或将随着技术的发展一一得到解决。而它衍生的伦理和安全问题，才更加令人担忧。对于恐怖分子和犯罪分子而言，“3D打印枪能射击一次就够了”。随着3D打印机的普及，未来如果有人想要一把AK47，先在网上下载模型图纸，然后用3D打印机打印配件进行组装……无需申请生产许可证，无需掌握制枪技术，即可轻松拥有一支突击步枪。而且，由于枪支上没有序列号，也没有销售途径，塑料材质的枪支还能逃过金属监测器的检查，警方将很难追踪到枪支究竟来自哪里。因此，如何建立一套有效的监管机制，保证3D打印技术被用于“正途”，是我们在加快发展该项技术的同时，必须预先解决的一个重要问题。
　　(来源:解放军报)
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[an error occurred while processing this directive]五、3D打印机的类型及其原理
& & & 目前市面上的3D打印机类型以其工艺划分有：
& & & & & & &1.FDM熔融层积成型技术，
& & & & & & &2.3DP&以粉末-粘合剂为基本原理技术，
& & & & & & &3.SLS选区激光烧结，
& & & & & & &4.SLA立体平版印刷技术，
& & & & & & &5.LOM分层实体成型工艺，
& & & & & & &6.PolyJet聚合物喷射技术，
& & & & & & &7.DLP激光成型技术，
& & & & & & &8.UV紫外线成型技术。
& & & & 这里的3D打印又叫做增材制造，原理的核心很简单，就是把一个要打印的物体模型数据通过软件切成片（非常薄的横截面）后，再通过打印机使打印材料逐层固化一层一层堆积起来。
逐层堆积示意图
& & & &以上技术的具体原理都不一样，但是主要都是想办法根据电脑数据制造出一层东西，然后在这层东西上面再制造一层东西，如此类推，直至制造出整个立体模型。即技术的不同点在于如何制造模型的每一层。
& & & & 以下对上述工艺和原理详细介绍。
&1.FDM，熔融层积成型技术，Fused&Deposition&Modeling。
& & & &【技术原理】：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下&一层，直至形成整个实体造型。
【FDM技术的优点】：
& & & &1）&操作环境干净、安全，材料无毒，可以在办公室、家庭环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险。
& & & & 2）&无需激光器等贵重元器件，因此价格便宜。
& & & & 3）&原材料为卷轴丝形式，节省空间，易于搬运和替换。
& & & & 4）&材料利用率高，可备选材料很多，价格也相对便宜。
【FDM技术的缺点】：
& & & & 1）&成形后表面粗糙，需后续抛光处理。最高精度只能为0.1mm。
& & & & 2）&速度较慢，因为喷头做机械运动。
& & & & 3）&需要材料作为支撑结构。
【打印产品示例】：
2.3DP，&以粉末-粘合剂为基本原理技术，Three&Dimensional&Printing&and&Gluing。
& & & &【技术原理】：首先把工作槽中填上粉末并铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态粘合剂喷射在预先指定区域中，来固定一层，升降台下移，不断重复直到工件完成，最后除去模型上多余的粉末材料即可。
【3DP技术的优点】：
& & & &1）&无需激光器等高成本元器件。成本较低，且易操作易维护。
& & & &2）&加工速度快，可以25毫米/小时的垂直构建速度打印模型。
& & & &3）&可打印彩色原型。这是这项技术的最大优点，它打印彩色原型后，无需后期上色，目前市面上的3D体验馆中3D打印人像基本采用此技术。
& & & &4）&没有支撑结构。与SLS一样，粉末可以支撑悬空部分，而且打印完成后，粉末可以回收利用，环保且节省开支。
& & & &5）&耗材和成形材料的价格相对便宜，打印成本低。
【3DP技术的缺点】：
& & & 1）&石膏强度较低，不能做功能性材料。且打印成品易碎。
& & & 2）&表面手感略显粗糙，这是以粉末为成形材料的工艺都有的缺点。
【打印产品示例】：
3.SLS，选区激光烧结，Selective&Laser&Sintering。
& & & 【技术原理】：该技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。
【SLS技术的优点】：
& & & & &1）&可用多种材料。其可用材料包括高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。特别是金属粉末材料，是目前3D打印技术中最热门的发展方向之一。
& & & & &2）&制造工艺简单。由于可用材料比较多，该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。
& & & & &3）&高精度。一般能够达到工件整体范围内（0.05-2.5）mm的公差。
& & & & &4）&无需支撑结构。叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。
& & & & &5）&材料利用率高。由于不需要支撑，无需添加底座，为常见几种3D打印技术中材料利用率最高的，且价格相对便宜。
【SLS技术的缺点】：
& & & & &1）&表面粗糙。由于原材料是粉状的，原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。
& & & & &2）&烧结过程有异味。&SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。
& & & & &3）&无法直接成型高性能的金属盒陶瓷零件，成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。
& & & & &4）&加工时间长。加工前，要有2小时的预热时间；零件构建后，要花5~10小时时间冷却，才能从粉末缸中取出。
& & & & &5）&由于使用了大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受。
【打印产品示例】：
4.SLA，立体平版印刷技术，Stereo&Lithography&Appearance。
& & & & 【技术原理】：在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化（SLA与SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光）。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。
【SLA技术的优点】：
& & & & 1）&发展时间最长，工艺最成熟，应用最广泛。在全世界安装的快速成型机中，光固化成型系统约占60%。
& & & & 2）&成型速度较快，系统工作稳定。
& & & & 3）&具有高度柔性。
& & & & 4）&精度很高，可以做到微米级别，比如0.025mm。
& & & & 5）&表面质量好，比较光滑：适合做精细零件。
【SLA技术的缺点】：
& & & &1）&需要设计支撑结构。支撑结构需要未完全固化时去除，容易破坏成型件。
& & & &2）&设备造价高昂，而且使用和维护成本都不低。SLA系统需要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。
& & & &3）&光敏树脂有轻微毒性，对环境有污染，对部分人体皮肤有过敏反应。
& & & &4）&树脂材料价格贵，但成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。
& & & &5）&由于材料是树脂，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。且固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
【打印产品示例】：
5.LOM分层实体成型工艺，Laminated&Object&Manufacturing。
& & & &【技术原理】：激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完全成型。
【LOM技术的优点】：
& & & & 1）&成本低。使用小功率CO2激光器价格低、使用寿命长。
& & & & 2）&可制作大中型零件。这是由于其中没有涉及化学方应，成型过程更稳定。同时，强度也能达到大中型零件要求。
& & & & 3）&成型快速。切割过程仅需切割截面内外轮廓，内部无需加工，从而是一个高速的快速成型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。
& & & & 4）&不存在收缩和翘曲变形，同时无需支撑结构。
【LOM技术的缺点】：
& & & & 1）&不能制造中空构建，构建部件内部结构不能太复杂。
& & & & 2）&比较浪费材料。目前常用的材料只是纸。
& & & & 3）&Z轴精度比SLA低，精度可达0.1毫米。
& & & & 4）&纸制领进很容易吸潮，成型后必须立即进行后处理、上漆。
& & & & 5）&需要专门的实验室环境，维护费用高。加工室温度过高可能引发火灾，因此，工作过程需专职人员值守。
【打印产品示例】：
6.PolyJet聚合物喷射技术
& & & & 【技术原理】：如喷墨打印机一样，向构建平台上一层一层的喷树脂，同时用紫外线灯将其快速固化。它的材料树脂分为支撑材料和模型材料，可以由不同的喷头喷射，成型后支撑材料可以被轻易地冲洗掉。
【Polyjet技术的优点】：
& & & & 1）&质量高。领先于市场的最高可达16微米的分辨率，确保获得流畅且非常精细的部件与模型。
& & & & 2）&精确度高：精密喷射与构建材料性能可保证细节精细与薄壁。
& & & & 3）&清洁。适用于办公室环境，采用非接触式树脂载入/卸载，容易清除支撑材料，容易更换喷射头。
& & & & 4）&快捷。得益于全宽度上的高速光栅构建，可实现快速的流程，可同时构建多个项目，并且无需事后凝固。
& & & & 5）&多用途：FullCure材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色部件，Polyjet&Matrix技术还支持多种型号（多种颜色）材料同时喷射。
【Polyjet技术的缺点】：
& & & &1）&需要支撑结构。
& & & &2）&耗材成本相对高。与SLA一样使用光敏树脂作为耗材，成本相对较高。
& & & &3）&强度较低。由于材料是树脂，成型后强度、耐久度等于SLA一样，都不是很高。
【打印产品示例】：
7.DLP激光成型技术，Digital&Light&Processing。
& & & &【技术原理】：与SLA光固化成型技术相似，都是利用感光聚合材料（主要是光敏树脂）在紫外光照射下会快速凝固的特性。不同的是，DLP技术使用高分辨率的数字光处理器投影仪来投射紫外光，每次投射可成型一个截面。因此，从理论上，速度也比同类的SLA快很多。
【DLP技术的优点】：
& & & & &1）&精度高。其在材料属性、细节和表面光洁度方面可以坯体注塑成型的耐用塑料部件。
& & & & &2）&速度快。由于每次投射直接成型一个面，工件的长度（X轴长度）和宽度（Y轴长度）尺寸并不影响成型速度，成型速度仅受工件高度（Z轴长度）的影响。理论上，要比SLA快很多。
& & & & &3）&造价低。由于无需激光头发射激光来固化成形，仅使用成本极低的灯泡进行照射即可满足成型要求。整个系统没有喷射部件，所以没有传统成型系统喷头堵塞的问题，使得维护成本大大降低。
& & & & &4）&开源。国外一名叫Tristram&Budel的创客发布了一款DLP3D桌面打印机，并将所有技术细节免费共享。开源和创客运动能有效帮助该技术往更高质量和更低成本上发展。
【DLP技术的缺点】（与SLA相似）：
& & & & 1）&需要设计支撑结构。
& & & & 2）&树脂材料价格贵，但成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。
& & & & 3）&由于材料是树脂，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。且固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
【打印产品示例】：
8.UV紫外线成型技术
& & & &【技术原理】：和SLA立体平板印刷技术比较类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型。
【优点】：
& & & &1）&成型过程没有噪音，精度在同类技术中精度最高。
& & & &2）&造价低，利用紫外光照射即可。
【缺点】：
& & & &1）&需要设计支撑结构。
& & & &2）&树脂材料价格贵，但成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。
& & & &3）&由于材料是树脂，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。且固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
【打印产品示例】：
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3D 打印机有哪些种类？分别是如何工作的？有图有视频
核心提示：3D打印有两种定义。狭义指“MIT开发的以粉末为基础的制造技术”。广义上指所有的增材制造技术（Additive Manufacturing）。& & &3D打印有两种定义。狭义指&MIT开发的以粉末为基础的制造技术&。广义上指所有的增材制造技术（Additive Manufacturing）。
& & 据Andreas Gebhardt对添加性制造技术的入门书籍Understanding Additive Manufacturing，添加性制造技术有很多种，MIT开发的只是其中一种：
1. 以高分子聚合反应为基本原理：激光立体印刷术（Stereolithography， SLA，有著名的Objet（已和Stratasys合并）和Formlabs为代表）, 高分子打印技术（Polymer Printing）, 高分子喷射技术（Polymer Jetting）, 数字化光照加工技术（Digital Lighting Processing）, 微型立体印刷术（Micro Stereolithography）。
2. 以烧结和熔化为基本原理： 选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering， SLS，3D打印行业龙头老大3D System的看家本领，EOS也是杰出代表）, 选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting, SLM）, 电子束熔化技术（Electron Beam Melting， EBM）。
3. 以粉末-粘合剂为基本原理：三维打印技术（Three Dimensional Printing, 3DP，MIT在90年发明的，Zcorp（已被3D Systems收购）、voxeljet是杰出代表）
4. 熔融沉积造型技术（Fused Deposition Modeling, FDM，著名代表有RepRap项目、MakerBot和Stratasys公司）
5. 层压制造技术（Layer Laminate Manufacturing, LLM）
6. 气溶胶打印技术（Aerosolprinting）
7. 生物绘图技术（Bioplotter）
每一种添加性制造技术的具体原理都不一样，但是主要都是想办法根据电脑数据制造出一层东西，然后在这层东西上面再制造一层东西，如此类推，直至制造出整个立体模型。
主要特点是成品结构复杂性几乎不受限制。
目前主要用于航空工业、汽车工业、专业设计（产品设计和建筑设计的模型制造）、外科（量身定做的矫正牙套、假牙、助听器）等等。
下面来简单介绍一下最常见的FDM、SLA、SLS和3DP。
1. FDM（来源：维基百科）
FDM全称Fused Deposition Modelling（熔融沉积造型）。打印头加热，把条形塑料加热软化，按照电脑3D模型作&一笔画&。看看视频可能会更清楚：
MakerBot Thing-O-Matic演示:
2. SLA（来源：维基百科）
SLA全称Stereolithography（立体印刷术）。它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。SLA有两大类，一种是Objet为代表的，从下到上打印的。另一种是Formlabs为代表的，从上往下打印的。
Objet打印机原理介绍：
Formlabs Form 1打印机宣传视频
3. SLS（来源：维基百科）
SLS全称Selective Laser Sintering（选择性激光烧结）。和SLA类似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。
3D Systems 选择性激光烧结演示：
4. 3DP（来源：Emerald）
3DP全称Three Dimensional Printing（三维打印）。这才是真正的3D打印！因为这种技术和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。如上图所示，左边为储粉缸，右边为成型缸。打印时，左边会上升一层（一般为0.1mm），右边会下降一层，滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸，铺上厚度为0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。（平面打印机的Y轴是纸在动，而3DP的Y轴是打印头在动）液体要么是粘合剂要么是水（用于激活粉末中粉状粘合剂）。
ZPrinter演示：
三迪时空网-中国3D打印服务网：.cn
【本文仅代表作者看法，如有不同观点，欢迎添加三迪时空微信公众号（微信号：sandishikong）进行讨论交流。】查看: 11928|回复: 5
一篇做3D打印机的大学毕业论文：微型FDM型3D打印机的研制
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姓&&名& && && &&&丁 万& && &
　　　FDM快速成型技术，是技术的一种，它利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，将熔融状态的细丝采用层层堆栈的方式，从3D CAD资料直接建构原型的技术。微型FDM型是在FDM技术的理论基础上，研制成的一种桌面级的3D打印机，它为《特种加工》课程提供教学用具。本文在综合介绍FDM型3D打印机基本内容的基础上，重点介绍了打印原理及打印机的结构，并对其结构进行了详细的分析。自制FDM型3D打印机遵循了3D打印机开源的设计理念，同时让设计者在动手实践中不断修改并优化设计方案，满足自身创新与创意的需要。
关键词：FDM技术&&快速成型&&3D打印机&&特种加工&&开源
　　　FDM rapid prototyping techniques, a 3D printing technology, which uses a thermoplastic material extruded into filaments by a semi-molten state, the filaments molten state with the method of layer upon layer stack, constructing a prototype technology directly from 3D CAD data. FDM 3D printer is a miniature model based on the theory FDM technology,developed into a desktop 3D printer, it provides teaching aids for the“special processing”courses.This paper describes a comprehensive FDM 3D printer basic content type,based on the principles and focuses on the structure of the printer to print, and its structure was analyzed in detail.Homemade FDM type 3D printer follows the design philosophy of open source, while allowing designers to continually modify and optimize the design of the hands-on practice, and innovative ideas to meet their own needs.
Keywords:&&FDM technology&&Rapid prototyping&&3D printer&&
　　　& && & Special processing&&Open source
第1章& &前言& && &&&4
1.1 课题的背景和意义& && &&&4
1.2 FDM型3D打印机的国内外发展状况& && &&&4
1.3 本课题主要设计内容& && &&&5
第2章&&FDM型3D打印机打印原理及结构分析& && &&&6
2.1 打印原理& && &&&6
2.2 结构分析& && &&&6
2.2.1 机械部分& && &&&6
2.2.2 电路部分& && &&&9
2.2.3 软件部分& && &&&11
第3章& &主要零部件选择、电路测试过程& && &&&16
3.1 主要零部件选择& && &&&16
3.1.1 电机的选择& && &&&16
3.1.2 挤出头的选择& && &&&17
3.1.3 送丝机构的选择& && &&&17
3.1.4 打印材料的选择& && &&&18
3.2 电路测试过程& && &&&18
3.2.1 测试准备& && &&&18
3.2.2&&连接电路板及测试电路& && &&&19
第4章&&打印机的组装及打印运行& && &&&20
4.1 打印机的组装& && &&&20
4.2 打印运行& && &&&21
结论& && &&&22
谢辞& && &&&23
参考文献& && &&&24
第1章& &前言
1.1课题的背景和意义
　　　3D打印机（3D Printers）是一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种不同于普通打印机的机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
　　　3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。它无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。
　　　FDM技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。FDM技术的优势在于机械结构简单，设计容易，制造成本、维护成本和材料成本低，对环境无污染，因此FDM也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。自制微型FDM型3D打印机，能够为《特种加工》课程在课堂上提供教学用具，为老师在课堂授课提供方便，也能使学生对FDM型3D打印机的了解更加深入。
1.2 FDM型3D打印机的国内外发展状况
　　　国外占据3D打印产业主导地位的美国3D systems、stratasys等公司，每年都投入1000多万美元研发新技术，研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件，而且以签约开发、直接购买等方式，获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利，已掌握一批关键核心技术。目前，世界主要发达国家纷纷开始布局，陆续出台了相关政策和投资发展计划，大力发展3D打印产业，旨在占领新工业革命的前沿阵地。一方面，美国总统奥巴马在“国情咨文”中多次提及3D打印，并筹划建立3D打印国家创新中心，旨在提升美国制造业的竞争力；另一方面，从欧美各国最新的太空探索计划中，也可以看到对3D打印技术相关项目的巨额资助。
国内部分企业对FDM型3D打印机对外国的设计方案进行改进，不断　　　完善3D打印机。如公司基于Makerbot机型开发的产品Creater。它改进了挤出头中喉管的制作工艺，使耗材融化后能够顺利的流动，且凝固后不易沉积。挤出头全新的挤出组件使塑料丝不易打滑，送丝精确。但是，国内企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面，综合来看，自制微型FDM型3D打印机对促进老师课堂教学以及学生对3D打印机的深入了解具有十分重要的意义。
1.3 本课题主要设计内容
　　　根据收集的FDM型3D打印机的相关资料，了解3D打印机结构的具体组成，包括机械部分、电路部分及软件部分。机械部分学习了解步进电机的驱动与控制、机床的结构，重点研究打印头的结构，以及影响打印头打印精度的因素，并将整理好的零部件组装，制作出一台完整的FDM型3D打印机实物；电路部分需要了解相关电路板的知识，并在网上购买电路板，组装电路板；软件部分包括上位机软件和下位机软件，上位机软件，即运行在电脑上的软件，分为2大部分，切片和控制；下位机软件，即运行在3D打印机主板上的软件，主要做电机控制，软件算法和通信，在3D打印机中为Marlin固件。
　　　本课题组共两人，作者主要负责对FDM型3D打印机的研制。
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近端送丝就是将挤出机安装在打印头上，材料由挤出机直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。图3-5为远端送丝，远端送丝是将挤出机安装在离挤出头较远位置，一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出头上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中，它减轻了打印喷头重量，提高了打印速度和精度，但是由于挤出机离打印头位置较远，一般需要安装减速部件与增大扭矩的部件。经过考虑，作者采用较为简单的近端送丝机构。3.1.4 打印材料的选择
　　　FDM型3D打印机使用的材料一般有两种：PLA（聚乳酸）与ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料），两种材料在未打印呈丝状时，外观很接近，几乎不可区分，如图3-6为材料外观，两种材料均有1.75mm与3mm两种类
& && && && && &&&型的直径，作者选择直径为1.75mm的材料。下面对两种材料的区别作简要介绍。
　　　PLA是晶体，ABS是一种非晶体。PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上。当加热PLA时，材料像冰冻的水一样，直接从固体变为液体。加热ABS时，材料会慢慢转换成凝胶液体，不经过状态改变。因为没有相变，ABS不吸喷嘴的热能。部分PLA，使喷嘴堵塞的风险更大。
　　　PLA与ABS相比较，PLA具有以下优点：
PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起。
PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好。
PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异，色彩艳丽。
PLA在打印時为棉花糖气味，不像ABS那样有刺鼻的不良气味。
PLA是一种新型的生物降解材料，处理时不会像ABS那样，产生有毒气体，污染环境。
　　　由于PLA打印时有以上一些优点，作者在制作3D打印机时也没有使用加热床，因而优先选用了PLA材料。
3.2 电路测试过程
3.2.1 测试准备
　　　在连接电路和调试之前，需要做一些准备工作，以保证打印机调试过程的顺利进行。
　　　打开软件Arduino IDE，用来将固件传输到主控板上，传输方法：在Arduino IDE中选择Tools→Boards→Arduino Mega 2560，然后选择串口Toolss→Serials ports→相应的串口，点击编译并下载到板子上，注意，编译下载前，确定固件中两行代码已经过修改，改动后的代码为：#define BAUDRATE 250000，#define MOTHERBOARD 33。这两行代码的意义在固件中已作解释，这里不再作说明。固件在进行上传的时候，主控板上的LED灯会不停的闪，等待上传完成，就可以进行电路板的连接及测试了。
3.2.2&&连接电路板及测试电路
　　　断开USB数据线，将Ramps 1.4拓展板连接到主控板上，注意不要连接错误，Ramps上背面的插针应该都连接到主控板才对。然后连接热敏电阻到板子相应位置，此时打开Pronterface软件，选择串口（一般是最后一个），设置波特率为250000，点击连接，如果正常，右侧会有连接成功的提示文字，并且下面的操作步骤将可以正常进行了。
　　　通过Pronterface软件上的“check temp”（读取温度），可以获得热敏电阻的温度，因为热敏电阻是直接连上的，所以读取的温度应接近所在实验室的室温，如果读取值为0，则表示连接有误，需检查。
　　　虽然没有连接加热头，但可以进行简单测试，首先连接12V的电源，然后设置加热头的温度为185℃，此时拓展板上有红色的LED灯会亮，说明这部分电路正常，关掉即可。然后在Pronterface软件右下角输入命令M106 S255点击发送，这个命令用来打开风扇控制，此时风扇会转动，拓展板上另一个红色LED灯会亮，输入M107点发送可以关掉风扇。
　　　接下来进行步进电机的测试，断开电源，将A4988驱动板接入Ramps1.4板子，注意插入方向是否正确，否则可能会烧坏电路板。这时，至少应该有一个电机进行测试，电机接线用万用表200Ω档测电阻，两线间有电阻则为同相，同相邻接，一般也可按电机线红蓝绿黄颜色的顺序依次连接。连线完成后，接通电源，通过Pronterface尝试让电机动起来，比如将电机接到X轴上，点击X轴电机+10mm，电机会转动，点击－10mm，电机会反转。用同样的方式可以测试Y轴和Z轴，注意，更改测试的电机时应该关闭电源，连线完毕后再打开电源。挤出电机当温度达不到时是不能测试的，可以将其A4988驱动板安装到XY或Z上进行测试，以保证驱动器的正常。
第4章&&打印机的组装及打印运行
4.1 打印机的组装
　　　3D打印机的组装过程，就是将已经准备的零部件按照一定的顺序和步骤逐步安装起来，最后形成一台完整打印机的过程。图4-1为一台理论标准制作的3D打印机，图4-2为作者安装完后的打印机整体结构图，下面介绍打印机的组装过程。
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& &&&图4-1 标准3D打印机& && && && &图4-2 打印机实际组装图
　　　首先作者进行打印机框架的组装，如图4-2所示，将准备好的12根铝型材，底面和顶部分别使用4根，竖直方向也使用4根，使用图4-3所示的
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　　　& & 图4-3&&直角连接件& && && && &&&图4-4& &滑块
直角连接件、图4-4所示的滑块连接，用螺栓拧紧固定，构成打印机的基本框架。
　　　然后开始搭建XY轴所在平面，与组装打印机外部框架相似，将8根铝型材相互连接，并安装上光杆与箱式轴承滑块，安装挤出头的铝型材固定在两根光杆中间，并连接上同步带与XY轴步进电机，XY轴所在平面也是由直角连接件和滑块，固定在打印机的外部框架上。图3-1中，步进电机由电机座安装在铝型材上，在第二章中作者已经介绍，挤出头通过螺纹与滑块连接，滑块由电机带动，在直线导轨上运动。
　　　前面已经提到，作者制作时使用XY轴所在平面的运动平台，固定其中一个方向，让另一个方向在Z方向运动，由此替代丝杆的传动。由此，打印台的Z方向运动也就确定了。由于作者未购买打印台，作者用方形木板代替打印台进行打印。
4.2 打印运行
　　　电路连线测试完毕，以及机器组装均完成后，就可以打印三维模型了。如图4-5，作者用solidworks画了一个20×20×8的长方体块，保存的STL文
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图4-5&&长方体模型
件在切片软件中打开，然后发送G代码到Pronterface中，点击连接进行打印。
　　　第一次打印失败，原因是作者用限位开关找打印原点时，限位开关的位置设置不够精确，使得Z方向上喷嘴最下端与打印台距离相距过大，材料未成功粘到打印台上。由于手动肉眼调整限位开关位置，所以误差存在也比较正常，需要多次调整找正原点位置。
　　　经过多次测试，在成功找正原点后，再次运行，第一层材料顺利粘接到打印台上，但打印过程中作者发现，打印第一层以上各层时，喷嘴下端进入被加热熔化的材料中，使喷嘴拖动材料在打印台上运动，也未打印出完整模型。作者在切片软件中将每层打印高度由0.3设置为0.4，此时打印精度比较前面有很大改观。
　　　在做毕业的这将近一个学期的时间里，作者从收集资料做起，通过各种途径收集有关FDM型3D打印机的相关内容，然后从中筛选，整理出制作3D打印机有用的资料，然后集中学习整理的相关资料，购买相关硬件器材，学习使用打印需要的软件，一步步安装打印机，调试打印机，到最后运行打印过程，并打印出完整的模型。不懈的努力有了令人满意的结果，自制3D打印机的过程是一个动手的过程，通过动手制作的锻炼，让作者的动手能力得到了极大的提高，也增强了作者综合运用学科知识以解决实际问题的能力。
　　　这是作者初次进行这种比较正式的设计，由于设计的时间比较短，理论知识水平也十分有限，在许多方面作者的了解还不够透彻，可能把握全局的目光还不够长远，所以自制的3D打印机还存在不少缺点。
　　　在第一次运行打印机时作者失败了，通过总结知道，原因出在限位开关上，找打印原点时，限位开关的位置设置不够精确，使得Z方向上喷嘴最下端与打印台距离相距过大，材料未成功粘到打印台上，作者通过多次调整找正原点位置，但这种方式比较麻烦，可以使用光电开关代替限位开关，这样精度会更高。后来，在打印过程中作者发现，打印第一层以上各层喷嘴下端进入被加热熔化的材料中，使喷嘴拖动材料在打印台上运动，也未打印出完整模型。在切片软件中将每层打印高度的设置更改后，打印精度比较前面有很大改观，这说明切片软件的设置对打印精度的影响尤为重要，但切片软件参数的设置比较需要打印者的经验，通过打印者在实际操作中不断总结，优化参数设置，提高打印精度，由于作者接触打印机的时间还比较短，经验还不足，所以打印精度也不够高。另外，在打印时，作者发现打印头的震动很大，这无疑也会影响打印的精度，其原因是打印机组成零部件的精度不高，零部件表面也比较粗糙，如导轨不够光滑，滑块本身粗糙度大等等，可以选用更为精密的零件，以提高打印精度。打印机的运行是一个不断优化的过程，所以还有很多方面可以调整与改进。
　　　打印机的成功设计是小组成员共同努力的结果，也离不开导师的耐心指导，从中作者知道了团队合作的重要性，这也提高了制作者的团队合作能力。作者主要负责的是3D打印机研制的相关内容，即制作出一台完整的3D打印机，通过动手实践，作者知道了3D打印机的工作原理和组成结构，在思考与操作的过程中，以前作者所学的知识也得到了综合运用和复习，让作者对知识运用于实践的认识有了一个新的高度。
　　　三个多月的时间里，通过不断的努力，在张可维老师的悉心指导和同组同学冯杰的共同支持下，与作者共同研制出了一台微型FDM型3D打印机。
　　　这段时间的学习让作者倍感充实，在打印机制作前期，作者收集各方面的资料，准备了很长一段时间，这段时间的学习，让作者对3D打印机有了一个初步的认识和了解，同时在不断学习的过程中，作者对3D打印机的兴趣也越来越浓厚，这促使作者更渴望制作一台完整的3D打印机。由于是初次进行这种比较正式的设计，在许多方面作者可能了解还不够透彻，目光也不够长远，但在老师的鼓励与帮助下，作者学会动手制作出一台完整的机器，把所学的各方面的知识综合运用到实践中，这对于作者来说是前所未有的。
　　　在这三个多月的时间里，导师张可维老师给了作者巨大的帮助，而且在作者组装打印机的最后阶段，每天晚上都与作者共同工作到很晚才回家，辛苦敬业，在此特别向张老师表示衷心的感谢！
　　　　由于知识有限和初次进行比较正式的设计，本文难免有错误之处，望老师和同学批评指正，谢谢！
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第2章&&FDM型3D打印机打印原理及结构分析
2.1 打印原理
　　　FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型工艺）是目前比较成熟的快速成型工艺中的一种技术，它是继LOM（分成物体制造）工艺和SLA（激光快速成型）工艺之后发展起来的一种3D打印技术。FDM工艺的基本原理为FDM INSIGHT软件自动将3D数模（由CATIA或UG、PRO-E等三维设计软件得到）分层，自动生成每层的模型成型路径和必要的支撑路径。热融头将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，由于成型室保持一定的温度，该温度下熔融的材料既可以有一定的流动性又能保证很好的精度。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，如此直到工件完成。
　　　FDM快速成型技术利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。FDM可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈／丁二烯／苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA（聚乳酸）具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点，现今大多数桌面FDM型3D打印机均采用这种材料。
2.2 结构分析
2.2.1 机械部分
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　　　FDM型3D打印机的机械部分最为复杂，涉及到的零部件也比较多，如图2-1，为3D打印机完整结构图，制作一台完整的FDM型3D打印机，简单来说，首先需要制作3D打印机的外部基本框架结构，在此框架上才能安装搭建其它零部件。3D打印机可以采用激光切割后的实木板或者铝型材作为机器的框架，如图2-2、图2-3中所示，这里，作者采用实验室已有的材料铝型材搭建打印机的框架。
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　　　框架组装完成后，接着需要在框架上搭建一个三轴联动的平台，即控制打印头在X、Y方向的运动，打印台在Z方向的运动，X、Y轴分别采用两个步进电机驱动，步进电机与同步带相连，图2-4中，滑块一端固定在图2-5中的同步带上，通过光杆的导向作用，同步带带动滑块运动，进而带动打印头在X、Y轴的运动。
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　　　同样，Z轴采用步进电机驱动，如图2-6，步进电机与丝杆相连，带动丝杆在Z轴运动，同时Z轴需要安装两根光杆，起导向作用，通过这些结构，带动打印台在Z方向运动。图2-7中所示，由于实验室另外有多余的XY轴的运动平台，只需固定其中一个方向，让另一个方向在Z方向运动，由此替代丝杆的传动。
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　　　对于3D打印机而言，挤出头是其核心的部件，就市面上比较有名的FDM型3D打印机而言，大多数采用加热棒对铝块进行加热。图2-8中，塑料丝通过挤出机将丝从进口端挤入，通过喉管导向，到达铝块，经过熔化，进入喷嘴，最后由喷嘴挤出。由于喉管内径比塑料丝直径稍大，故融化后的塑料丝在进端进丝压力作用下较易从喷嘴挤出。铝块内部装有热敏电阻来读取温度进而由主控板来控制温度，保证温度在塑料丝的熔融温度之上。
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打印头中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有些内部还衬有铁氟龙，由于挤出头长期加热打印致使吼管内部温度升高，导致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象 ，喉管内部衬铁氟龙，使喉管内料都不会熔融黏着 ，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出头外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可以为挤出机散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床，床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了。
2.2.2 电路部分
　　　3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。
a) Arduino Mega 2560主控板
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　　　Arduino Mega 2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega 2560主控板供电，直接使用USB 5V或通过电源接头供电。
　　　Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需要在Arduino IDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。
b) Ramps 1.4拓展版
拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出　　　机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电源即可。Ramps 1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。拓展板的接线如图2-10中所示。
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c) A4988步进电机驱动板
　　　A4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴电机及挤出机的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。如图2-11所示，驱动板通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。
2.2.3 软件部分
　　　前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、
UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将 STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。
a) 下位机软件Marlin固件
　　　Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在Arduino IDE软件中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。
　　　找到
　　　#define BAUDRATE 250000
　　　这项代码意义为：电脑通过USB线链接打印机的通信波特率，单位为bps，在后面打开的Pronterface软件中需将波特率也设置成250000，才能成功连接主板。接着需要找到
　　　#define MOTHERBOARD 33
　　　这项代码意义为：电路板型号，RAMPS1.4版本，对应的配置应该为33（单打印头配置），和34（双打印头配置），此处作者填写为33。其它参数暂时默认即可。软件运行如图2-12中所示。
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　　　Marlin固件是比较新的一个固件，并且很多使用对其进行了改进，它有如下一些特点：有预加速功能，使得打印机在打弧线时速度更快、更流畅；温度测量更精确、读数更准确；自动调节的PID温度控制；最早支持LCD显示，以及支持SD卡。
b) 上位机切片软件Slic3r
Slic3r为3D打印机的切片软件，它的作用是将三维模型的STL文件进行切片分层，切片设置完成后，输出G代码，在Pronterface中打开G代码。
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Slic3r的设置参数比较多，图2-13为对一长方体模型进行切片设置，图中可以看到，Slic3r第一个工具叫Plater，它允许在进行切片前加载和安排一个或多个模型。由三维软件获得模型的STL文件，将它拖到Plater（或者通过文件菜单打开），plater将会加载它，并在距离模型几毫米的周围产生一条skirt轮廓线，模型也可以在软件中进行重新定位。软件界面右侧则是对加载模型的操作选项，可以通过选项对模型进行调整，具体操作命令的意义如下。
More/Less 增加或减少模型数量。
45/Rotate 旋转，Z轴45度旋转，顺时针或逆时针。
scale 比例，放大或缩小。
split 分裂，把一个模型分裂成多个部分组成并允许每个单独安排。
& &在文件列表的底部按钮可以添加、删除、自动安排和导出模型。
Add 添加模型。
Delete/Delete All 删除一个模型或所有模型。
Autoarrange 自动安排最优布局。
Export G-code 切片模型并生成G-code。
Export STL 保存当前设定的模型。
　　　Slic3r后面的三个设置为打印设置，填充设置以及打印机的设置，根据需要逐步进行设置，这里不再列出其具体的设置选项。根据作者对打印机最终的调试结果显示，打印第一层的重要性必须引起注意，如果第一层没有处理好，将导致彻底失败，模型将部分分离和扭曲。下面是为提高第一层的打印精度，作者总结的一些注意事项。
　　　第一层高度：第一层作为粘接层需要更多的热量以及挤出跟多耗材，一般设置为喷嘴直径。例如0.4mm的喷嘴则设置第一层高度为0.4mm。
　　　更宽的挤出宽度：材料接触打印床越多越好，这个可以通过设置挤出第一层宽度设置，可以使用百分比和固定值两种方式设置。 推荐大约200%的设置，但是这个要结合第一层打印高度设置，例如第一层打印高度设置为0.1mm，挤出宽度设置为200%，那么实际得到的宽带是0.2mm,这个是小于喷嘴直径的，这样会导致挤出过少的熔丝打印失败。
　　　更高的打印温度：挤出机加热端假如加热了，可以设置第一层温度更高点，这样可以降低打印耗材的粘度，做为一个经验值参考，推荐额外提高5°C。
　　　打印床位置的水平：有一个水平的床至关重要。喷嘴位置与打印床接触过低将会堵住喷嘴口并擦伤打印床，过高将导致打印丝不能粘在打印床上。
Slic3r是一个比较实用的分层工具，软件中的很多参数都是分层工具自己算出来的，用户只需要填写少量的配置参数，并且因为它易于使用，分层速度快，打印质量高，如今是非常流行的分层工具。
c) 上位机打印控制软件Pronterface
通过Slic3r切片完成后保存的文件G-code，在Pronterface中打开，如图2-14所示，将打印机主板与电脑主机通过USB接口连接后，选择与打印
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机主控板相同的端口，点击界面上的Connect按钮，实现电脑与打印机的连接，此时，可以对打印机进行直接操作。Pronterface中也可以对打印进行设置，下面对Pronterface界面功能进行介绍。
　　　Port选项用于连接端口的选择，将打印机与电脑连接后，通常会自动转变为当前对应端口。如果没有自动转变，可重启Pronterface 软件，或者手动选择（通常为编号最后一个）。前面已经说明，波特率应与Marlin固件的波特率一致，改为250000（只要固件与控制软件设置的波特率一致即可）。
　　　Connect/Disconnect按钮用于打印机与电脑的连接或断开。Reset按钮用于重置打印机设置。Load file按钮用于载入打印模型的G代码文件。Compose用于Pronteface软件在简单模式和一般模式之间的选择，建议使用一般模式，即默认的视图模式。 SD卡按钮用于装备SD卡扩展插槽的机型，可从事先准备好的SD中提取相关模型的G代码。Print是开始打印的命令按钮。Pause是打印中途暂停按钮，但打印过程中按此键有可能造成模型数据前后不一致，建议一次性打印完毕。 XY轴、Z轴用于调整机器X、Y、Z的最高运行速度，可根据实际情况适当调整。
　　　图左侧的X、Y、Z圆形区域版块用于电机调整，其中左下角房屋按键用于将X、Y、Z轴归零，使得打印头确定原点位置。界面中的数字表示点击一下该按钮，各轴移动的距离，单位是mm。需要注意的是，打印机因型号不同，实际运行轨迹可能与箭头指示方向相反，这个作者只需将步进电机不同两相的接线互换位置 即可。
　　　Heat选项指打印头温度设置，可根据打印耗材的不同，在ABS和PLA两种材料之间选择相应温度，然后点击Set按键开始加热。Off 按键用于停止加热。Bed选项指热床温度设置，由于作者制作时未使用热床，不必对其进行设置。Extrude按钮用于控制挤出机挤出动作，Reverse按钮用于控制挤出机后退动作。需要注意的是，只有当打印头温度达到规定温度（如ABS：230度，PLA：185度)，挤出机才会做出相应动作。
　　　特别需要注意的是，当每一次启动3D打印机时，是没有确定其原点的，不要选择过大单位（如100mm）的按钮或连续点击小单位按钮进行测试，以免对机器造成损害。只有将打印头至于原点（即通过点击左下角房屋按钮确定），打印机的有效行程才能固定激活，避免机器损害。
第3章& &主要零部件选择、电路测试过程
3.1 主要零部件选择
3.1.1 电机的选择
　　　步进电机是通过电流脉冲来精确控制转动量的电机，电流脉冲是由步进电机驱动单元供给的。FDM型3D打印机一般选用42步进电机，且为两相四线，同相之间有电阻，可通过万用表测量。步距角为1.8°，也就是电机转动一周为200步。转轴直径为5mm，转矩大小根据电机具体型号不同而变化，打印机上挤出机需要转矩较大，可选择转矩稍大的步进电机。选择步进电机时需要看额定电压与电流参数，比较典型的是2.8V和1.7A，只要步进电机驱动单元能控制电流输出，理论上可以使用任何比电机额定电压高的供电电压。如果驱动单元无法控制电流输出，则需要使用同额定电压接近的供电电压，否则电机会有过热风险。自制3D打印机一般需要4个步进电机，X、Y、Z轴各一个，挤出机一个。
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图3-1&&42步进电机
　　　步进电机外接同步带，作者可以计算同步带运动1 mm，也就是打印头移动1mm时所对应的步数，由以下公式计算：
　　　步数=电机旋转一周的步数×驱动板的细分数÷带间距÷步进电机上齿的数量。
　　　例如，作者来计算一下，42步进电机转一周为200步，步进电机的驱动板通过控制电流大小对步数进行细分，比如16细分是指在1.8°一步的基础上再细分16步。带间距是同步带上两个齿之间的距离，所以，T5的带间距是5mm，最后数出步进电机上齿的数量为12，再根据上面的公式算出步数。得到结果：步数=200×16÷5÷12=53.3333。然后根据计算，在Marlin固件中修改XYZ轴电机以及挤出机的步数。
3.1.2 挤出头的选择
　　　在第二章3D打印机的机械部分中作者已经说明了挤出头的基本结构和工作原理，挤出头分为单挤头与双挤头，双挤头的结构如图3-2所示，与
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图3-2&&单挤头& && && && && && &图3-3&&双挤头
单挤头相比较，双挤头采用两个挤出头并列排列，并将相对位置固定，由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出头最下端喷头的喷嘴直径有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是，选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。为简便制作，作者购买的是图3-2所示的单挤头，喷嘴直径为0.4mm。
3.1.3 送丝机构的选择
　　　3D打印机的送丝机构有远端送丝与近端送丝两种，图3-4为近端送丝，
& && && && && && && && &&&
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& && &&&图3-4 近端送丝& && && && && &&&图3-5 远端送丝
近端送丝就是将挤出机安装在打印头上，材料由挤出机直接挤入喉管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。图3-5为远端送丝，远端送丝是将挤出机安装在离挤出头较远位置，一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出头上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中，它
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顶啊。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。文件呢？
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