了得網科普讀物_玩轉3D設計和3D打印

編輯推薦

3D打印引領了制造技術的變革，正在改變世界。對於青少年，3D打印機無疑是創新道路上的又一把利器。本書將引導你邁出創新的*步——嘗試自己設計並制作一臺3D打印機。

內容簡介

本書詳細展示了自制3D打印機的設計和制作過程,幫助讀者充分理解3D打印原理、打印機硬件和電子繫統；將3D設計軟件“中望3D”的學習，融入自制打印機項目和作品案例中，突破了“學”和“用”之間的障礙；詳細講解了主流3D打印機MakerBot的操作技巧和使用經驗，提供了豐富的作品設計案例和打印技巧，以及3D打印中常見難題的解決方法。
本書適用於沒有3D設計和打印經驗的初學者、需要提高3D打印技巧的進階者、DIY 3D打印機的愛好者。

作者簡介

劉玉田：知名創客，北京遠程教育專業委員會中小學創客教育執委會執委，北京市東城區通用技術學科兼職教研員，北京市東城區“少年科學院”機器人工作室特色導師；連續三屆帶隊參加“FIRST科技挑戰賽”，分獲北京市亞軍、全國亞軍、北京市冠軍。

第1章3D打印概覽11.13D打印概述11.23D打印的工藝類型21.33D打印的實現過程41.3.1用CAD工具進行設計41.3.2用CAM工具與打印機交互5第2章設計一個3D打印機62.1中望3D軟件基本操作62.1.1下載和安裝“中望3D教育版”62.1.2軟件初始界面102.1.3文件管理112.2“3D打印機”建模——“8mm光軸360”162.2.1軟件基礎講解1——插入草圖162.2.2“8mm光軸360”建模過程1192.2.3軟件基礎講解2——繪制草圖202.2.4軟件基礎講解3——約束222.2.5“8mm光軸360”建模過程2252.2.6軟件基礎講解4262.2.7“8mm光軸360”建模過程3272.2.8軟件基礎講解5 282.2.9軟件基礎講解6 292.3“3D打印機”建模——“5mm光軸450”312.4“3D打印機”建模——“8mm光軸支座”342.4.1“8mm光軸支座”建模過程1342.4.2軟件基礎講解1——草圖繪制思路362.4.3軟件基礎講解2——繪制多線段362.4.4“8mm光軸支座”建模過程2362.4.5軟件基礎講解3——設置背景色37目錄玩轉3D設計和3D打印〖2〗〖2〗〖1〗 2.4.6“8mm光軸支座”建模過程3 372.4.7軟件基礎講解4——選素392.4.8“8mm光軸支座”建模過程4392.4.9軟件基礎講解5——設置面的顏色402.4.10“8mm光軸支座”建模過程5412.4.11“8mm光軸支座”建模過程6472.52D工程圖502.5.12D工程圖基本設置502.5.2生成2D工程圖542.5.32D工程圖的標注582.6“3D打印機”建模——12mm光軸支座612.7“3D打印機”建模——2020梁360、2020梁400622.7.1“2020梁360”的建模過程632.7.2“2020梁400”的建模過程692.8“3D打印機”建模——框架裝配692.8.1“框架裝配”過程692.8.2軟件基礎講解——關於裝配742.9“3D打印機”建模——Z軸繫統772.9.1“3D打印機”建模——Z軸絲杠772.9.2“3D打印機”建模——絲杠螺母812.9.3“3D打印機”建模——微型軸承、直線軸承(光軸軸承)832.9.4“3D打印機”建模——42步進電動機支架872.9.5“3D打印機”建模——省略建模過程的零件912.10“3D打印機”建模——裝配922.11“3D打印機”建模—— X軸繫統962.11.1“3D打印機”建模——中滑塊972.11.2“3D打印機”建模——右滑塊、左滑塊1022.11.3“3D打印機”建模——X軸繫統裝配1072.12“3D打印機”建模——Y軸繫統109第3章3D打印機的電子繫統1133.1電子繫統的組成1133.2打印機的固件1293.2.1下載相關資源1293.2.2固件參數設置11323.2.3階段性調試1383.2.4固件參數設置21403.2.5開始打印146第4章MakerBot 3D打印機的使用1494.1Replicator 2X 基本參數1494.2MakerBot官網資料1504.3MakerBot賬戶(MakerBot Account)1544.4MakerBot Desktop1554.5下載並打印一個模型1574.5.1下載模型1574.5.2選擇打印機機型1584.5.3添加模型1584.5.4模型操作1604.5.5打印參數設置1644.5.6SD卡打印1674.5.7USB直連打印171第5章作品設計和打印技巧1725.1個性手機殼1725.1.1手機殼的設計1725.1.2手機殼的打印1815.1.3 打印技巧1845.2電池儲存盒1905.2.1電池儲存盒的設計1905.2.2電池儲存盒的打印1985.2.3ABS材料無底座打印技巧2005.3門塞2075.3.1門塞的設計2075.3.2門塞的打印2135.3.3打印技巧——更換打印絲2145.4小人兒牙刷架2185.4.1小人兒牙刷架的設計2185.4.2小人兒牙刷架的打印2225.4.3打印技巧——噴頭堵塞2235.5“3D打印機”項目中的零件打印2285.5.1底座的作用2285.5.2支撐的作用2305.5.3模型的放置2315.5.4公差控制2345.6旋轉套環2365.6.1旋轉套環的設計2375.6.2旋轉套環的打印2395.6.3雙色打印技巧2405.7愛心戒指2495.7.1愛心戒指的設計2495.7.2愛心戒指的打印2565.7.3PLA打印257結語261參考文獻262

前言

3D打印引領了制造技術的變革，正改變著世界，有人甚至稱它會是開啟第三次工業革命的鑰匙。改變世界，也許我們並不能立即感受到，但身邊的變化確是真真切切的。2013年，我輔導學生參加FTC（FIRST科技挑戰賽）比賽，美國FIRST官網在北京時間2013年9月8日夜裡發布了賽季主題“BLOCK PARTY！”。比賽中，場地上要使用一種叫作“BLOCK”的任務裝置——外形為邊長5cm的立方體。熟悉 FTC比賽的師生都知道，這些比賽器材要經代理商進口到國內，至少要在主題發布後40～60天纔能交到我們手中，大部分人隻能選擇等待。我的學生當時就在官網下載了圖紙和說明（不是3D模型），自己用3D設計軟件畫出了模型。第二天，也就是9月9日，他來學校上課的時候，把模型載入了學校技術實踐中心的3D打印機，也就是一個多小時，模型打印完成了。那一刻，“與世界同步”是那麼的真切！2014年年初，幾個學生參加國際青年物理學家競賽（International Youth Physical Tournament，IYPT），其中一個競賽題目是這樣的：一個馬鞍狀的物體，“馬鞍”的凹處放置一個乒乓球，當然這個乒乓球是放不穩的，會立刻滾落，當“馬鞍”旋轉起來後，乒乓球就能立住而不跌落。題目隻給出現像，學生要自己找到“馬鞍”的曲面形狀，並進行理論解釋。可以想像，技術實踐中心又多了一堆3D打印出的“馬鞍”，曲面各異。有了3D打印機的幫助，學生的想法幾乎在時間（之所以沒有說“立刻”，是因為目前的3D打印速度還不高，模型的打印時間還略長）就得以實現。如果用傳統的銑削方式加工，時間成本和物質成本都會太高，甚至難以承受。對青少年來說，3D打印機無疑是創新道路上的又一把利器。就像武俠小說裡的情節一樣，擁有寶劍的不一定是俠客，還要練就一些本領。你會發現，真正開始使用3D打印機後，如果隻是從網上下載幾個模型並打印出來，這隻是一種層次的應用。3D打印真正的意義在於制作自己的設計，這時候就要學習3D設計軟件。你還會發現，3D打印機偶爾還有些“小脾氣”，並不會乖乖地把模型“變出來”，這就需要我們去了解3D打印機的原理、相關的機械和電子知識、維護及使用的技巧等。本書內容大致可分為以下三部分。（1）在借鋻了開源的3D打印機軟、硬件基礎上，嘗試自己設計並制作一臺3D打印機，借此了解3D打印機的工作原理。當然，作者在一開始就預見到了結果：這臺打印機的性能一般，設計上甚至有缺陷。但創新的道路就是這樣，不可能一開始就十分完美。很多人缺少的不是創新意識，而是邁出步的勇氣。不要思前想後，有想法就要去實現它，即使失敗了，也能收獲經驗。（2）雖然讀者使用的打印機各有不同，但目前的桌面式打印機的使用大同小異，本書結合主流的MakerBot 3D打印機，以案例的形式介紹打印機的操作方法和模型的打印技巧。（3） 3D設計軟件的使用。軟件的使用融入“3D打印機”的設計、打印案例中，避免泛泛的講解，突出實用性。由於編者水平所限，書中難免存在疏漏和不足，懇請廣大讀者批評指正。3D打印引領了制造技術的變革，正改變著世界，有人甚至稱它會是開啟第三次工業革命的鑰匙。改變世界，也許我們並不能立即感受到，但身邊的變化確是真真切切的。2013年，我輔導學生參加FTC（FIRST科技挑戰賽）比賽，美國FIRST官網在北京時間2013年9月8日夜裡發布了賽季主題“BLOCK PARTY！”。比賽中，場地上要使用一種叫作“BLOCK”的任務裝置——外形為邊長5cm的立方體。熟悉 FTC比賽的師生都知道，這些比賽器材要經代理商進口到國內，至少要在主題發布後40～60天纔能交到我們手中，大部分人隻能選擇等待。我的學生當時就在官網下載了圖紙和說明（不是3D模型），自己用3D設計軟件畫出了模型。第二天，也就是9月9日，他來學校上課的時候，把模型載入了學校技術實踐中心的3D打印機，也就是一個多小時，模型打印完成了。那一刻，“與世界同步”是那麼的真切！2014年年初，幾個學生參加國際青年物理學家競賽（International Youth Physical Tournament，IYPT），其中一個競賽題目是這樣的：一個馬鞍狀的物體，“馬鞍”的凹處放置一個乒乓球，當然這個乒乓球是放不穩的，會立刻滾落，當“馬鞍”旋轉起來後，乒乓球就能立住而不跌落。題目隻給出現像，學生要自己找到“馬鞍”的曲面形狀，並進行理論解釋。可以想像，技術實踐中心又多了一堆3D打印出的“馬鞍”，曲面各異。有了3D打印機的幫助，學生的想法幾乎在時間（之所以沒有說“立刻”，是因為目前的3D打印速度還不高，模型的打印時間還略長）就得以實現。如果用傳統的銑削方式加工，時間成本和物質成本都會太高，甚至難以承受。對青少年來說，3D打印機無疑是創新道路上的又一把利器。就像武俠小說裡的情節一樣，擁有寶劍的不一定是俠客，還要練就一些本領。你會發現，真正開始使用3D打印機後，如果隻是從網上下載幾個模型並打印出來，這隻是一種層次的應用。3D打印真正的意義在於制作自己的設計，這時候就要學習3D設計軟件。你還會發現，3D打印機偶爾還有些“小脾氣”，並不會乖乖地把模型“變出來”，這就需要我們去了解3D打印機的原理、相關的機械和電子知識、維護及使用的技巧等。本書內容大致可分為以下三部分。（1）在借鋻了開源的3D打印機軟、硬件基礎上，嘗試自己設計並制作一臺3D打印機，借此了解3D打印機的工作原理。當然，作者在一開始就預見到了結果：這臺打印機的性能一般，設計上甚至有缺陷。但創新的道路就是這樣，不可能一開始就十分完美。很多人缺少的不是創新意識，而是邁出步的勇氣。不要思前想後，有想法就要去實現它，即使失敗了，也能收獲經驗。（2）雖然讀者使用的打印機各有不同，但目前的桌面式打印機的使用大同小異，本書結合主流的MakerBot 3D打印機，以案例的形式介紹打印機的操作方法和模型的打印技巧。（3） 3D設計軟件的使用。軟件的使用融入“3D打印機”的設計、打印案例中，避免泛泛的講解，突出實用性。由於編者水平所限，書中難免存在疏漏和不足，懇請廣大讀者批評指正。
編者2016年8月

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在線試讀

第3章3D打印機的電子繫統3D打印機是一種數控設備，其電子繫統負責接收、處理指令，指揮打印機各部分依指令自動進行加工。本“3D打印機”項目的電子控制繫統，借鋻了開源的RepRap，固件采用了開源軟件Marlin，打印機控制軟件為開源的Printrun。3.1電子繫統的組成3D打印機的電子控制繫統示意如圖31所示，大概可分為八部分。圖313D打印機的電子繫統1. 控制器控制器(controller)是3D打印機的大腦，很多自制打印機都使用風靡世界的Arduino微型控制器。Arduino有很多版本(它們的基本功能是相同的)，本項目使用Arduino Mega 2560，如圖32所示。第3章3D打印機的電子繫統玩轉3D設計和3D打印〖2〗〖2〗〖1〗圖32Arduino Mega 2560Arduino Mega 2560基於ATmega 2560，有54個數字輸入/輸出口(其中15個口可用於PWM輸出)、16個模擬輸入、4個硬件串口、1個16MHz的晶振、1個USB口、1個電源插座、1個ICSP頭及1個重啟按鈕。Arduino Mega 2560還要配以3D打印擴展板纔能連接其他設備，3D打印機采用開源的擴展板RAMPS 1.4，如圖33所示。RAMPS與Arduino Mega 2560堆疊接在一起，如圖34所示。圖33RAMPS 1.4擴展板圖34Arduino Mega 2560與RAMPS2. 步進電動機圖35所示，自左向右依次是直流電動機(DC motor)、舵機(servo)和步進電動機(stepper motor)。圖35常見的電動機直流電動機加上直流電壓後，持續轉動，電壓的波動對轉速影響很大。一般來說，直流電動機用在需持續轉動、要較大扭矩，但對轉速和轉動圈數要求不是特別精確的場合。直流電動機加上編碼器後，也可以精確控制轉速和轉動圈數。舵機的控制信號一般是一個周期為20ms左右的時基脈衝，脈衝高電平部分的寬度控制著舵機轉動的角度。其控制原理為: 控制信號輸入控制電路板(在舵機內部)，電動機轉動，舵機的輸出軸轉動時帶動位置反饋電位計，控制電路板根據反饋信號判斷是否達到目標位置，並根據需要控制電動機的轉動方向和速度。舵機一般用在需要精確控制位置(如轉動一定角度)且保持的場合，多用於人形機器人的關節或是航模上。舵機轉動角度範圍一般為0°～180°。圖36步進電動機的內部結構步進電動機的內部結構如圖36所示。步進電動機的驅動電源不是持續的，而是一個一個的脈衝。步進電動機受到一個電源脈衝作用，就會轉動一個固定的角度(步距角)。這些電源脈衝由步進電動機驅動器(driver)提供。因為每個電源脈衝使步進電動機轉動確定的角度，意味著它可以帶動物體移動確定的距離，步進電動機常用於需要便於重復定位的設備中。與直流電動機和舵機相比，步進電動機不能提供很大的扭矩。步距角是步進電動機的一個重要參數。一個完整圓是360°，除以步距角即得到轉動一圈的步數。比如，全步1.8°是常用的步距角，則步進電動機轉動一圈需200步。實際應用中，常用微步控制(也叫細分)來增加步進電動機的步數。一般來說，微步控制可以讓步進電動機轉動更平滑、更精確。步進電動機分為永磁式、反應式和混合式。步進電動機有一個參數“相”，即產生不同N、S對極磁場的勵磁線圈對數。如圖37所示，該步進電動機有A1A2、B1B2、C1C2共3對線圈，因此是三相的。每相有兩根引線，分別為A1和A2、B1和B2、C1和C2。3D打印機常用混合式兩相步進電動機。兩相步進電動機又有4線和6線接法，如圖38所示。作者使用的混合式兩相步進電動機預留了6線接頭，但隻引出了4根接線，如圖39所示。圖37三相反應式步進電動機的結構簡圖圖38兩相步進電動機的4線和6線接法
第3章3D打印機的電子繫統3D打印機是一種數控設備，其電子繫統負責接收、處理指令，指揮打印機各部分依指令自動進行加工。本“3D打印機”項目的電子控制繫統，借鋻了開源的RepRap，固件采用了開源軟件Marlin，打印機控制軟件為開源的Printrun。3.1電子繫統的組成3D打印機的電子控制繫統示意如圖31所示，大概可分為八部分。圖313D打印機的電子繫統1. 控制器控制器(controller)是3D打印機的大腦，很多自制打印機都使用風靡世界的Arduino微型控制器。Arduino有很多版本(它們的基本功能是相同的)，本項目使用Arduino Mega 2560，如圖32所示。第3章3D打印機的電子繫統玩轉3D設計和3D打印〖2〗〖2〗〖1〗圖32Arduino Mega 2560Arduino Mega 2560基於ATmega 2560，有54個數字輸入/輸出口(其中15個口可用於PWM輸出)、16個模擬輸入、4個硬件串口、1個16MHz的晶振、1個USB口、1個電源插座、1個ICSP頭及1個重啟按鈕。Arduino Mega 2560還要配以3D打印擴展板纔能連接其他設備，3D打印機采用開源的擴展板RAMPS 1.4，如圖33所示。RAMPS與Arduino Mega 2560堆疊接在一起，如圖34所示。圖33RAMPS 1.4擴展板圖34Arduino Mega 2560與RAMPS2. 步進電動機圖35所示，自左向右依次是直流電動機(DC motor)、舵機(servo)和步進電動機(stepper motor)。圖35常見的電動機直流電動機加上直流電壓後，持續轉動，電壓的波動對轉速影響很大。一般來說，直流電動機用在需持續轉動、要較大扭矩，但對轉速和轉動圈數要求不是特別精確的場合。直流電動機加上編碼器後，也可以精確控制轉速和轉動圈數。舵機的控制信號一般是一個周期為20ms左右的時基脈衝，脈衝高電平部分的寬度控制著舵機轉動的角度。其控制原理為: 控制信號輸入控制電路板(在舵機內部)，電動機轉動，舵機的輸出軸轉動時帶動位置反饋電位計，控制電路板根據反饋信號判斷是否達到目標位置，並根據需要控制電動機的轉動方向和速度。舵機一般用在需要精確控制位置(如轉動一定角度)且保持的場合，多用於人形機器人的關節或是航模上。舵機轉動角度範圍一般為0°～180°。圖36步進電動機的內部結構步進電動機的內部結構如圖36所示。步進電動機的驅動電源不是持續的，而是一個一個的脈衝。步進電動機受到一個電源脈衝作用，就會轉動一個固定的角度(步距角)。這些電源脈衝由步進電動機驅動器(driver)提供。因為每個電源脈衝使步進電動機轉動確定的角度，意味著它可以帶動物體移動確定的距離，步進電動機常用於需要便於重復定位的設備中。與直流電動機和舵機相比，步進電動機不能提供很大的扭矩。步距角是步進電動機的一個重要參數。一個完整圓是360°，除以步距角即得到轉動一圈的步數。比如，全步1.8°是常用的步距角，則步進電動機轉動一圈需200步。實際應用中，常用微步控制(也叫細分)來增加步進電動機的步數。一般來說，微步控制可以讓步進電動機轉動更平滑、更精確。步進電動機分為永磁式、反應式和混合式。步進電動機有一個參數“相”，即產生不同N、S對極磁場的勵磁線圈對數。如圖37所示，該步進電動機有A1A2、B1B2、C1C2共3對線圈，因此是三相的。每相有兩根引線，分別為A1和A2、B1和B2、C1和C2。3D打印機常用混合式兩相步進電動機。兩相步進電動機又有4線和6線接法，如圖38所示。作者使用的混合式兩相步進電動機預留了6線接頭，但隻引出了4根接線，如圖39所示。圖37三相反應式步進電動機的結構簡圖圖38兩相步進電動機的4線和6線接法

圖39步進電動機的引線3. 步進電動機驅動器步進電動機不能直接接在直流電源或交流電源上，需在控制器和步進電動機之間有一個稱為“步進電動機驅動器”的芯片，如圖310所示，用於產生驅動步進電動機的脈衝信號。圖311所示，RAMPS 1.4有5個步進電動機驅動器安裝位置，標記為X、Y、Z、E0和E1，分別用於安裝X軸、Y軸、Z軸和兩個擠出機的步進電動機驅動器。每個步進電動機驅動器位置，都有3組2P的插針，如圖312所示，3組分別標記為MS1、MS2和MS3。表31是通過跳帽來設置步進電動機細分的方法。本項目中，驅動器采用1/16步細分，也就是把3個跳帽都插上，跳帽如圖313所示。圖310步進電動機驅動器及散熱片圖311RAMPS 1.4的步進電動機驅動器位置圖312步進電動機細分跳帽位置

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