最近相当火红的开放原始码专案 － 3D Printing，自从RepRap Machine被设计以来，一直不断有各类型的延伸版本出现。例如最有名的Maker Bot Industries，就是按照RepRap的原型设计改良成Thing-O-Matic，其他还有Ultimaker等3D Printing。

这些所谓的3D Printing，在早期被称之为快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，现今因为Arduino的开放硬体，许多DIY玩家自行研究如何转换复杂的G Code到机器上的步进马达，制作出一台又一台DIY 3D Printing。

图一 : MakeBot Replicator

3D Printing的Open hardware

DIY 3D Printing在早期发展时，用来产生G Code的软体相当简陋，有很多bug无法顺利使用，与硬体之间的沟通也没有很多感测器可供监控，需要半自动的清理喷嘴流出的ABS塑料，甚至需要自行判断喷嘴温度是否已达标准，使用上相当麻烦。

另外在产生G Code的同时，有许多参数需要进行调整，有些甚至需花上3到6个月时间自行调教各项软硬体参数。对于刚入门的使用者来说，不易上手，且容易感到挫败而放弃使用。

直到近年，Arduino MEGA 2560支援更大容量的记忆体空间，更多的I/O数量，配合多种开放原始码的程式库，让上述的问题减少许多。以最为热门的MakerBot Replicator设计为例，历经了8代改版，从早期的CupCake(MK4)到Thing-O-Matic(MK7)，由单一喷嘴到双头喷嘴系统，全自动化的操作模式，让家庭式3D Printing不再是遥远的梦想。

或许你会问， DIY 3D Printing能不能更加简单好用?

在2012 Computex Taipei中,威盛电子与帝凯科技(decade.tw)相互合作,发表一款整合MakerBot Thing-O-Matic与VE-900的「个人云端3D印表机」。

此机器以Thing-O-Matic的硬体外观作为设计蓝图，往下延伸出一个独立空间，此空间置放了一台标准的PC主机板(VE-900)，搭配SATA硬碟、电源供应器、USB连接线与VGA萤幕输出，与一个触控显示介面相连，完美整合成一台可独立运作的个人3D印表机。

其最大的挑战在于软体介面的重新设计。大多数的3D Printing过去都是使用ReplicatorG这套开放原始码软体，此软体对于初学者来说还是不容易立即上手。因此，我们根据一般人使用的习惯，重新思考一台印表机必要的步骤有哪些，最后赋予新介面三个重要关键因素：开启档案、预览列印、列印进度查看。

开启档案方面设计了两个重要功能，一是直接读取USB随身碟内的档案，另一方面可从Dropbox或Google Drive直接下载模型档案。在下载或开启的STL档案进行输入后，可直接在此介面预览3D 模型，透过触控方式，直接在触控萤幕上做旋转、放大、移动等操作，对于初次使用者相当方便。

图二 : 正在印制台北101大楼3D模型的过程

3D Printing的难题

实际列印的时候，与一般喷墨印表机或雷射印表机不同，3D Printing是用堆叠方式一层一层把立体的样貌打造出来，这是如何做到的呢？

首先，3D Printing如同它的名称一样，属于立体式空间，因此需要X、Y、Z三个轴向，X与Y轴在此负责移动一个加热平台，平台上方的喷嘴除了负责加热到一定温度，还需透过一颗步进马达缓慢地将ABS塑料融化后喷出，而Z轴就是负责每一层的高度，每完成一层就上升一小段高度，使立体模型顺利完成需要的样貌。

相信读者会想问，3D模型是否可以任意设计？任意设计的结果是否会造成印制上的困难？

在我们的测试过程中，也碰到许多类似的问题。例如模型的设计不能底部为悬空状态，也就是不能设计没有支撑点的模型，若要设计此类的造型，必须缜密考量到喷嘴行走速度与送料的关连性，任一种情况都可能容易造成模型制作失败。

另一个案例发生于使用Sketch up软体制作时，没有考虑到喷嘴走动的路径设计。路径设计不良会让机器往返走动的速度过短，轴向错位，导致模型喷出时容易印制错误。为了避免这样的情形发生，ReplicatorG里有一个预览功能，可在产生G Code后一层层检视喷嘴走动的路径。

不仅模型设计需要考量很多因素，目前3D Printing共同的问题在于加热喷嘴使用的寿命，以我们测试的Thing-O-Matic MK7喷嘴系统为例，常因ABS塑料材质加热过后所产生的硬化胶质，慢慢会累积在喷嘴四周，必须不断的定时清除周边残留物，以免喷嘴因为残留物堵塞细小的喷嘴出口，导致无法射出成形。

最好的解决方式是每当不使用机器的最后，趁喷嘴温度尚有200度以上的高温时，使用镊子将喷嘴周边清除干净，或是用软体去控制马达挤出一小段塑料，保持喷嘴为畅通状态，在下次使用时就能确保喷嘴出口没有任何异物卡住。

DIY 3D Printing设计解密

开放硬体的3D Printing，大多数采用Arduino作为控制晶片，其负责的功能分为两个部分：一是负责接受从电脑端的PC或MAC软体送过来的G Code，然后由一块Arduino Mega 2560进行资料分析，并透过RS485的传送介面，递送给另一块Arduino UNO控制喷嘴温度与加热平台。

此外，Arduino Mega 2560还负责控制3D Printing上的四颗步进马达，这些马达分别扮演X、Y、Z以及Extuder的角色，相互协调彼此之间的运作。

为了让3D Printing更具人性化，较新型的3D Printing还具有额外的自动化套件，像是自动化模型送出平台(Automated Build Platform)，可让印制完成的3D模型自动从加热平台上输送出来，如此就可达到自动连续印制的效果。

另外也有安全机制的套件设计，可当温度过高时自动关闭喷嘴的加热，以免温度过高使机器受损。另外也有X、Y、Z三个轴运作时的最大限度保护，避免马达持续走动而碰到机构边界，此一功能只需透过简单的触动开关就能轻易完成。

因此，自己设计一个简单的3D Printing其实并不复杂，这些基础动作我们可以从一些简单的Arduino实验上就能学习到，像是步进马达的控制就可从一般电子材料行买到小颗的步进马达，透过两相四线式的控制，使步进马达正反转向特定的步数，就能达成X、Y轴的移动。

3D Printing的延伸设计 － eggBot

国外有一群玩家，利用Makerbot的开放硬体概念，延伸设计Thing-O-Matic，将其简化成一台可在蛋壳上面绘制彩色图样的小型机器－eggBot，透过电脑绘制好需要的样式，自行换上麦克笔作为画笔，即可画出有趣的彩蛋图样，在复活节时显得特别有趣！

eggBot的设计原理如同3D Printing，利用两个步进马达完成，一个步进马达负责蛋壳的旋转角度；另一个马达负责往返绘制蛋壳上的曲面。较困难的地方在于画笔的力度控制，eggBot设计团队想出了一个简单的方式解决。

关键在于利用麦克笔本身的重量，因为笔尖施压在蛋壳上力度刚刚好，因此只需在画笔上的支撑关节改为活动式，再藉由一个伺服马达撑起这个活动关节，让画笔自然地抬起与放下，如此就像一个人的手腕一样，可自动提笔与放下，相当完美。

图三 : 从Google Sketch up软件所绘制的3D模型档案

开放硬体后的新思维

在这波开放硬体的浪潮中，我们应该思考前人所贡献的宝贵资料如何善加利用，也许在这些开放资源中就能找到的独特改良方式，不需仰仗别人的相关资源，也能帮助产业提升竞争力。

对于客户与使用者来说，此类开放硬体的好处在于不需太多的解释，大多数有兴趣购买的使用者多半已对此设计有一定程度的理解能力，只需将完整的安装说明以及使用说明公开在网路上，建立一个可以沟通的社群管道，很快这样的开放硬体社群就能发展起来，研发的意见也能从社群中取得，进而针对产品做正确的修正，更臻完美。

（作者为帝凯科技创办人及Arduino.TW站长，对于开放硬体运动的推动一直不遗余力）