除了3D打印沒有哪個產品能夠抓住制造業變革的本質。當你第一次使用3D打印很難描述當時的感覺。當你意識到你有能力能夠腦海中的想法變成現實的時候，那種感覺這是太棒了。當今有很多技術驅動產品制造業的發展，例如立體光刻技術、選擇性激光燒結技術（SLS）、電子束融化技術（EBM）以及公共認可的熔絲加工方法（FFF）。

圖1 3D打印機器人

3D打印的流程非常簡單直接。首先我們先要將想法通過3D模型軟件構造出一個模型出來，可以從頭設計也可以借助3D掃描儀。大部分工作都需要精確的模型設計，很多專業的網站都有別人分享的3D模型，我們可以從中找到我們所需要的。我們完成3D模型的設計，然后就需要進行格式轉換，從最初的格式轉換為STL文件格式，這樣才能夠導入大部分3D打印應用軟件。最后打印軟件會將STL文件分成不同的層生成“gcode”文件，發送給微控制器來控制打印機的操作。塑料一層一層的被塑造起來，直到完成一個完整的實體產品。

圖2：3D打印會一層一層的塑造出產品

3D打印都要考慮的一個問題就是電動機以及電動機控制器，我們需要精確操作機械方面每一步的動作。這里我們集中介紹3D打印的熔絲加工（FFF）方式，將塑料絲轉化為實體產品。這種類型的3D打印機我們中的某些人可能就有，或者至少在制造者大會以及某些制作工作室見到過。

步進電機

無論怎樣的設計，所有打印機都需要根據打印平臺（承載正在一層一層被打印的物體）的位置移動擠壓機（塑料絲會被融化并輸出）。

圖3：步進電機

通過轉換三相電信號（X,Y,Z）電動機將電能轉換為機械運動。幾乎所有的消費級3D打印機中都采用的是步進電機。

我們可以見到各種類型的步進電機，一些可能需要專用的組件來將電機與微控制器連接起來。區分步進電機的首要方式就是根據國家電氣制造協會或者“NEMA”代碼來判斷（例如NEMA 15、NEMA 57）。NEMA 17是這類應用比較通用的步進電機尺寸，數字指的是安裝電動機的物理尺寸，并不意味著電壓、電流或者轉矩特性等。

區分不同步進電機的另一個方式就是判斷它是單極的還是雙極的，我們可以從電機的線圈和電流流向看出來。

單極步進電機的驅動非常的簡單直接，可以說只需要微控制器和一些晶體管就可以了。大部分基礎類型的單極步進電機都有兩個線圈（專業術語“相”），每個都有一個中心抽頭。電流流向線圈末端（隨著電機旋轉翻轉線圈末端和相）并從中心抽頭流出。簡而言之，電流總是從某一端流入然后從中心抽頭流出。單極的好處就是讓微控制器能夠直接驅動小型、低功耗的步進電機。而大型步進電機則需要更大的電流，“門”或者“驅動”晶體管可以放置在微控制器和單極步進電機之間。單極步進電機的一個缺點就是產生的轉矩相對較小，因為每次都只有一半線圈受到激勵。

第一眼看上去雙極步進電機結構可能更簡單，它們沒有中心抽頭因此接線頭也更少了。所以從電機的結構來看，雙極步進電機更簡單，但是從電子操作的角度來看雙極步進電機需要更復雜的控制機制來翻轉通過線圈的電流。如果有需要的話，我們可以將單極步進電機改造為雙極步進電機，就是去掉中心抽頭（看圖4 a：中心抽頭是常見的）。為了讓控制接口更簡單一些，我們采用H橋電路，并且很方便就可以集成到整體電路中。

圖4：a）單極步進電機 b）雙極步進電機

電機驅動電路

將步進電機與微控制器連接起來需要借助一些電路拓撲結構來實現，比如H橋電路。一個比較流行的集成電路就是L293D，它包含了兩個H橋電路。微控制器的四個控制信號接入到L293D，兩個信號用于電機的每相電路。根據次序設計，半步運行或者全步運行，微控制器會激勵控制線圈，然后驅動芯片輸出控制信號反饋給步進電機。不同的次序設計會影響電機的性能。全步運行會是速度更快，但是半步運行會讓控制起來更加精確。

圖5：L293D H橋內部電路

需要注意的重要一點是L293D中的‘D’表示它具備內置的反饋回路保護二極管。當然也有的L293芯片沒有二極管，所以當你購買的時候選擇正確的型號。這個二極管能夠阻止電機線圈產生的反向電壓。反向電壓會導致繼電器線圈關閉以及磁力區域減少。如果沒有保護二極管反向電流也會流入微控制器造成損壞。

將所有組件組裝起來

圖6：gShield是一個集成的3D打印控制器解決方案

3D打印的必備屬性就是精確的機械操作。步進電機為很多3D打印機提供了精確的控制功能，而且相對容易使用，成本低。L293D集成電路的使用也讓步進電機與微控制器之間的連接也更簡單和安全。我們甚至還能夠買到完全的電機控制解決方案，例如gShield或者grblShield。這些電路背板可以與Arduino對接，并且集成了多個H橋IC電路和電源管理電路，這幾乎使得你的3D打印機即插即用，就這么簡單。