关于如何看待3D打印的分析介绍

除了3D打印没有哪个产品能够抓住制造业变革的本质。当你第一次使用3D打印很难描述当时的感觉。当你意识到你有能力能够脑海中的想法变成现实的时候，那种感觉这是太棒了。当今有很多技术驱动产品制造业的发展，例如立体光刻技术、选择性激光烧结技术（SLS）、电子束融化技术（EBM）以及公共认可的熔丝加工方法（FFF）。

图1 3D打印机器人

3D打印的流程非常简单直接。首先我们先要将想法通过3D模型软件构造出一个模型出来，可以从头设计也可以借助3D扫描仪。大部分工作都需要精确的模型设计，很多专业的网站都有别人分享的3D模型，我们可以从中找到我们所需要的。我们完成3D模型的设计，然后就需要进行格式转换，从最初的格式转换为STL文件格式，这样才能够导入大部分3D打印应用软件。最后打印软件会将STL文件分成不同的层生成“gcode”文件，发送给微控制器来控制打印机的操作。塑料一层一层的被塑造起来，直到完成一个完整的实体产品。

图2：3D打印会一层一层的塑造出产品

3D打印都要考虑的一个问题就是电动机以及电动机控制器，我们需要精确操作机械方面每一步的动作。这里我们集中介绍3D打印的熔丝加工（FFF）方式，将塑料丝转化为实体产品。这种类型的3D打印机我们中的某些人可能就有，或者至少在制造者大会以及某些制作工作室见到过。

步进电机

无论怎样的设计，所有打印机都需要根据打印平台（承载正在一层一层被打印的物体）的位置移动挤压机（塑料丝会被融化并输出）。

图3：步进电机

通过转换三相电信号（X,Y,Z）电动机将电能转换为机械运动。几乎所有的消费级3D打印机中都采用的是步进电机。

我们可以见到各种类型的步进电机，一些可能需要专用的组件来将电机与微控制器连接起来。区分步进电机的首要方式就是根据国家电气制造协会或者“NEMA”代码来判断（例如NEMA 15、NEMA 57）。NEMA 17是这类应用比较通用的步进电机尺寸，数字指的是安装电动机的物理尺寸，并不意味着电压、电流或者转矩特性等。

区分不同步进电机的另一个方式就是判断它是单极的还是双极的，我们可以从电机的线圈和电流流向看出来。

单极步进电机的驱动非常的简单直接，可以说只需要微控制器和一些晶体管就可以了。大部分基础类型的单极步进电机都有两个线圈（专业术语“相”），每个都有一个中心抽头。电流流向线圈末端（随着电机旋转翻转线圈末端和相）并从中心抽头流出。简而言之，电流总是从某一端流入然后从中心抽头流出。单极的好处就是让微控制器能够直接驱动小型、低功耗的步进电机。而大型步进电机则需要更大的电流，“门”或者“驱动”晶体管可以放置在微控制器和单极步进电机之间。单极步进电机的一个缺点就是产生的转矩相对较小，因为每次都只有一半线圈受到激励。

第一眼看上去双极步进电机结构可能更简单，它们没有中心抽头因此接线头也更少了。所以从电机的结构来看，双极步进电机更简单，但是从电子操作的角度来看双极步进电机需要更复杂的控制机制来翻转通过线圈的电流。如果有需要的话，我们可以将单极步进电机改造为双极步进电机，就是去掉中心抽头（看图4 a：中心抽头是常见的）。为了让控制接口更简单一些，我们采用H桥电路，并且很方便就可以集成到整体电路中。

图4：a）单极步进电机 b）双极步进电机

电机驱动电路

将步进电机与微控制器连接起来需要借助一些电路拓扑结构来实现，比如H桥电路。一个比较流行的集成电路就是L293D，它包含了两个H桥电路。微控制器的四个控制信号接入到L293D，两个信号用于电机的每相电路。根据次序设计，半步运行或者全步运行，微控制器会激励控制线圈，然后驱动芯片输出控制信号反馈给步进电机。不同的次序设计会影响电机的性能。全步运行会是速度更快，但是半步运行会让控制起来更加精确。

图5：L293D H桥内部电路

需要注意的重要一点是L293D中的‘D’表示它具备内置的反馈回路保护二极管。当然也有的L293芯片没有二极管，所以当你购买的时候选择正确的型号。这个二极管能够阻止电机线圈产生的反向电压。反向电压会导致继电器线圈关闭以及磁力区域减少。如果没有保护二极管反向电流也会流入微控制器造成损坏。

将所有组件组装起来

图6：gShield是一个集成的3D打印控制器解决方案

3D打印的必备属性就是精确的机械操作。步进电机为很多3D打印机提供了精确的控制功能，而且相对容易使用，成本低。L293D集成电路的使用也让步进电机与微控制器之间的连接也更简单和安全。我们甚至还能够买到完全的电机控制解决方案，例如gShield或者grblShield。这些电路背板可以与Arduino对接，并且集成了多个H桥IC电路和电源管理电路，这几乎使得你的3D打印机即插即用，就这么简单。