电子创客讲义03——3D打印初探

本期作者：石头人

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在前面两期文章中，我们讨论了电路的原理，如何搭建电路，控制器的概念和图形化编程的基本方法。虽然在这些领域还有许多内容需要进一步的学习和实践，但为了让大家对电子创意作品有一个更全面的理解，今天就让我们先来聊聊近些年备受追捧的3D打印技术。

如果要将一个电子创意作品和人体作类比的话，控制器就像人的大脑，电路连线则相当于我们的血管和神经，传感器是我们的眼睛、耳朵等感觉器官，像电机这样的执行器则相当于我们的肌肉。不过光有这些还不够，我们还需要有骨骼、关节做支持才能活动，需要皮肤、软骨、毛发等来满足刷脸社会的基本要求，这些结构以及外观的设计与制作就要涉及到传说中的3D打印技术了。

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上图中所展示的是一款3D打印义肢，我们所看到的白色的手部结构就是3D打印出来的，图中还可以看到远处桌子上的控制器和各种电路元件，以及可以猜测系统还应包含图中没有出现肌电传感器和电机设备。并不是所有的作品都包括3D打印的外壳和机械结构，但3D打印技术的出现无疑拓展了创客们想象的空间。

3D打印

3D打印中的“D”是Dimensional（维度）的首字母，从名字中可以看出3D打印机可以打印三维（3D）世界中的物体，而不是像我们常见的打印机那样只能在二维（2D）平面上打印文字和图案。

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造 ，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打印存在着许多不同的技术，它们的区别在于打印原材料，以及构建每一层的方式。

现在市面上最常见（便宜）的3D打印机是采用熔融沉积成型（FDM）技术，一般来讲以热塑性塑料（PLA或ABS）为原材料，将材料通过挤出头（下图中红色的部分）融化后，通过步进电机控制挤出头的位置，挤出堆叠到指定位置而形成三维模型。

3D打印机的价格受打印材料、打印尺寸、精度、速度、品牌等诸多因素的影响。前段时间笔者花费了约1000RMB在淘宝购买了一台Prusa i3，属于性价比较高（丐版）的型号了。然麻雀虽丐，五脏俱全。我们可以看到该3D打印机主体采用铝型材框架结构；配有5个步进电机，其中X轴、Y轴各一个，Z轴两个，送料一个；X轴和Y轴采用皮带传动，挤出头可在X轴向上运动，而打印平台在Y轴向上运动，Z轴采用丝杠传动；采用Arduino Mega 2560作为控制器，用于控制步进电机、热床、挤出头、风扇、温度传感器等设备的运转。

整个机器的结构虽然不复杂，但实际组装调试过程大概花了20个小时左右，动手能力比较强的同学可以尝试一下。经验教训：首先，一定要有电动螺丝刀，不然各种螺丝型号拧到你吐血；其次，如果家里有余粮的同学还是可以买再好一点的，这款的黑色塑料连接件都是3D打印件，刚性较差，翘边变形问题也比较突出，影响了组装进度。

3D打印近年来虽然备受追捧，但却并没有在工业生产上大规模应用，可谓是雷声大、雨点小，其原因主要包括：

成本较高，制造效率不高，打印一件作品一般就需要数个小时的时间，目前不适用与批量生产。
目前打印材料有一定限制，目前主要是各种工程塑料、部分金属材料、石膏、陶瓷等。
精度和质量问题。目前3D打印成型零件的精度、物理性能及化学性能大多不能满足工程实际的适用要求，只能做原型件适用，不能作为功能性零件。

我们可以看到这些限制因素与3D打印机的工作原理相关，很难在短期内取得突破。但3D打印技术的特性也决定了它有很多传统加工方式所不具备的优势，别的不说，在家里就可以设计制造自己所需的模型，这不是很爽吗？

3D建模

有了3D打印机我们是不是就可以为所欲为了呢？当然不是，因为不会用啊！就好比给你架飞机你也开不走，想要设计制造模型，就要先学习3D建模技术。

3D建模技术是研究在计算机上进行空间形体的表示、存储和处理的技术，其广泛应用于工程、科学、医疗、电影、游戏、建筑、地质等需要使用三维图形的各个领域。3D建模的软件有很多，如：3Ds MAX、Maya、AutoCAD、CATIA、SolidWorks等等，软件汇总介绍请见参考文献《三维建模》。

然而上面所提到的经典建模软件不仅昂贵（以万为单位），而且通常也很难学习。虽然它们非常适合专业用户，但对于初学者来说，之前提到的Tinkercad就是个不错的选择，它不仅免费，而且非常容易学习和使用。顺便提一句，Tinkercad由美国的Autodesk开发，而Autodesk则是三维设计领域当之无愧的龙头老大，3Ds MAX、Maya、AutoCAD都是该公司旗下的产品。所以Autodesk开发像Tinkercad这样的免费产品其实也是在培养自己未来的客户群体。

登录自己的Tinkercad账户之后，建议各位先花10分钟时间来做一下软件自带的基础教程，对后面的学习很有帮助。该教程分为7个部分，分别介绍了放置模型、三维视图、移动、旋转、缩放、组合、对齐等7个基本操作，可以说涵盖了我们实际工作中用到的80%的操作。教程的说明虽然是英文，但难度很低，基本看图示也能搞定。注意：一些浏览器默认开启了鼠标手势功能，会与Tinkercad中的一些操作相冲突，所以需要在浏览器设置里面关掉鼠标手势的功能，方可畅快体验。

项目案例：扫帚卡子

在这里，我选择一个生活中的真实需求为例子，像大家介绍Tinkercad三维建模的基本方法，事情是这样的...

笔者在淘宝购买了一套全手动清扫一体机，结果还没用两回，图中固定扫帚的卡子就断掉了，导致整套设备无法正常使用。在这个紧要关头，我们的3D打印机就排上用场了！

步骤1：测量与初步设计

对于像扫帚卡子这样需要与其他结构进行组合的连接件来说，测量的准确性尤为重要。初步的想法是做两个圆环，一个是封闭的，用于套进撮子的金属手柄上，另一个是半开口的，用于固定扫帚，两个圆环中间用个横杆连到一起，从而起到固定的作用。由于手上没有游标卡尺，所以只能用尺子初步测量，撮子杆直径约21mm，扫帚杆直径约16mm。注意：打印材料由于受到打印精度和材料应力的影响，建议建模时内径留出1~2mm，以免套不上。

步骤2：使用Tinkercad建模

2.1 分解

根据初步设计，我们将整个模型分为两个圆环和一个连杆进行分别建模。

2.2 制作圆环

将实心圆柱体从“基本形状”面板拖动到工作平面，修改圆柱的直径略大于我们测量的内径，因为要将圆柱中间掏空，所以多出的部分就是圆环壁的厚度。例如我们在此将套撮子杆的圆柱直径设置为28mm，则（28-22）/2，壁厚就有3mm，高度可根据情况自行设定。
将空心圆柱体拖拽到工作平面，设置其直径为22mm，高度于实心圆柱体相同。
接下来我们需要进行对齐操作，按住shift建或通过框选同时选中实心和空心圆柱体，点击工具栏右上角的对齐按钮，出现如下图所示情况。点击红框中的黑色圆点即可实现所需的对齐效果，其他的对齐效果大家自己试着点一下就明白了。
对齐完成后，点击工具栏右上角的组合按钮，即可完成圆环的制作。这里要注意组合的两种用法：一是实心物体或空心物体之间进行组合，操作的结果是将物体进行拼接，保留其中重叠的部分；二是实心物体与空心物体之间的组合，操作的结果是从实心物体中扣除与空心物体相重叠的部分。我们制作圆环的操作就用到的组合的第二种用法。