最近相當火紅的開放原始碼專案 － 3D Printing，自從RepRap Machine被設計以來，一直不斷有各類型的延伸版本出現。例如最有名的Maker Bot Industries，就是按照RepRap的原型設計改良成Thing-O-Matic，其他還有Ultimaker等3D Printing。

這些所謂的3D Printing，在早期被稱之為快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)，現今因為Arduino的開放硬體，許多DIY玩家自行研究如何轉換複雜的G Code到機器上的步進馬達，製作出一台又一台DIY 3D Printing。

圖一 : MakeBot Replicator

3D Printing的Open hardware

DIY 3D Printing在早期發展時，用來產生G Code的軟體相當簡陋，有很多bug無法順利使用，與硬體之間的溝通也沒有很多感測器可供監控，需要半自動的清理噴嘴流出的ABS塑料，甚至需要自行判斷噴嘴溫度是否已達標準，使用上相當麻煩。

另外在產生G Code的同時，有許多參數需要進行調整，有些甚至需花上3到6個月時間自行調教各項軟硬體參數。對於剛入門的使用者來說，不易上手，且容易感到挫敗而放棄使用。

直到近年，Arduino MEGA 2560支援更大容量的記憶體空間，更多的I/O數量，配合多種開放原始碼的程式庫，讓上述的問題減少許多。以最為熱門的MakerBot Replicator設計為例，歷經了8代改版，從早期的CupCake(MK4)到Thing-O-Matic(MK7)，由單一噴嘴到雙頭噴嘴系統，全自動化的操作模式，讓家庭式3D Printing不再是遙遠的夢想。

或許你會問， DIY 3D Printing能不能更加簡單好用?

在2012 Comptuex Taipei中，威盛電子與帝凱科技(decade.tw)相互合作，發表一款整合MakerBot Thing-O-Matic與VE-900的「個人雲端3D印表機」。

此機器以Thing-O-Matic的硬體外觀作為設計藍圖，往下延伸出一個獨立空間，此空間置放了一台標準的PC主機板(VE-900)，搭配SATA硬碟、電源供應器、USB連接線與VGA螢幕輸出，與一個觸控顯示介面相連，完美整合成一台可獨立運作的個人3D印表機。

其最大的挑戰在於軟體介面的重新設計。大多數的3D Printing過去都是使用ReplicatorG這套開放原始碼軟體，此軟體對於初學者來說還是不容易立即上手。因此，我們根據一般人使用的習慣，重新思考一台印表機必要的步驟有哪些，最後賦予新介面三個重要關鍵因素：開啟檔案、預覽列印、列印進度查看。

開啟檔案方面設計了兩個重要功能，一是直接讀取USB隨身碟內的檔案，另一方面可從Dropbox或Google Drive直接下載模型檔案。在下載或開啟的STL檔案進行輸入後，可直接在此介面預覽3D 模型，透過觸控方式，直接在觸控螢幕上做旋轉、放大、移動等操作，對於初次使用者相當方便。

圖二 : 正在印製台北101大樓3D模型的過程

3D Printing的難題

實際列印的時候，與一般噴墨印表機或雷射印表機不同，3D Printing是用堆疊方式一層一層把立體的樣貌打造出來，這是如何做到的呢？

首先，3D Printing如同它的名稱一樣，屬於立體式空間，因此需要X、Y、Z三個軸向，X與Y軸在此負責移動一個加熱平台，平台上方的噴嘴除了負責加熱到一定溫度，還需透過一顆步進馬達緩慢地將ABS塑料融化後噴出，而Z軸就是負責每一層的高度，每完成一層就上升一小段高度，使立體模型順利完成需要的樣貌。

相信讀者會想問，3D模型是否可以任意設計？任意設計的結果是否會造成印製上的困難？

在我們的測試過程中，也碰到許多類似的問題。例如模型的設計不能底部為懸空狀態，也就是不能設計沒有支撐點的模型，若要設計此類的造型，必須縝密考量到噴嘴行走速度與送料的關連性，任一種情況都可能容易造成模型製作失敗。

另一個案例發生於使用Sketch up軟體製作時，沒有考慮到噴嘴走動的路徑設計。路徑設計不良會讓機器往返走動的速度過短，軸向錯位，導致模型噴出時容易印製錯誤。為了避免這樣的情形發生，ReplicatorG裡有一個預覽功能，可在產生G Code後一層層檢視噴嘴走動的路徑。

不僅模型設計需要考量很多因素，目前3D Printing共同的問題在於加熱噴嘴使用的壽命，以我們測試的Thing-O-Matic MK7噴嘴系統為例，常因ABS塑料材質加熱過後所產生的硬化膠質，慢慢會累積在噴嘴四周，必須不斷的定時清除周邊殘留物，以免噴嘴因為殘留物堵塞細小的噴嘴出口，導致無法射出成形。

最好的解決方式是每當不使用機器的最後，趁噴嘴溫度尚有200度以上的高溫時，使用鑷子將噴嘴周邊清除乾淨，或是用軟體去控制馬達擠出一小段塑料，保持噴嘴為暢通狀態，在下次使用時就能確保噴嘴出口沒有任何異物卡住。

DIY 3D Printing設計解密

開放硬體的3D Printing，大多數採用Arduino作為控制晶片，其負責的功能分為兩個部分：一是負責接受從電腦端的PC或MAC軟體送過來的G Code，然後由一塊Arduino Mega 2560進行資料分析，並透過RS485的傳送介面，遞送給另一塊Arduino UNO控制噴嘴溫度與加熱平台。

此外，Arduino Mega 2560還負責控制3D Printing上的四顆步進馬達，這些馬達分別扮演X、Y、Z以及Extuder的角色，相互協調彼此之間的運作。

為了讓3D Printing更具人性化，較新型的3D Printing還具有額外的自動化套件，像是自動化模型送出平台(Automated Build Platform)，可讓印製完成的3D模型自動從加熱平台上輸送出來，如此就可達到自動連續印製的效果。

另外也有安全機制的套件設計，可當溫度過高時自動關閉噴嘴的加熱，以免溫度過高使機器受損。另外也有X、Y、Z三個軸運作時的最大限度保護，避免馬達持續走動而碰到機構邊界，此一功能只需透過簡單的觸動開關就能輕易完成。

因此，自己設計一個簡單的3D Printing其實並不複雜，這些基礎動作我們可以從一些簡單的Arduino實驗上就能學習到，像是步進馬達的控制就可從一般電子材料行買到小顆的步進馬達，透過兩相四線式的控制，使步進馬達正反轉向特定的步數，就能達成X、Y軸的移動。

3D Printing的延伸設計 － eggBot

國外有一群玩家，利用Makerbot的開放硬體概念，延伸設計Thing-O-Matic，將其簡化成一台可在蛋殼上面繪製彩色圖樣的小型機器－eggBot，透過電腦繪製好需要的樣式，自行換上麥克筆作為畫筆，即可畫出有趣的彩蛋圖樣，在復活節時顯得特別有趣！

eggBot的設計原理如同3D Printing，利用兩個步進馬達完成，一個步進馬達負責蛋殼的旋轉角度；另一個馬達負責往返繪製蛋殼上的曲面。較困難的地方在於畫筆的力度控制，eggBot設計團隊想出了一個簡單的方式解決。

關鍵在於利用麥克筆本身的重量，因為筆尖施壓在蛋殼上力度剛剛好，因此只需在畫筆上的支撐關節改為活動式，再藉由一個伺服馬達撐起這個活動關節，讓畫筆自然地抬起與放下，如此就像一個人的手腕一樣，可自動提筆與放下，相當完美。

圖三 : 從Google Sketch up軟體所繪製的3D模型檔案

開放硬體後的新思維

在這波開放硬體的浪潮中，我們應該思考前人所貢獻的寶貴資料如何善加利用，也許在這些開放資源中就能找到的獨特改良方式，不需仰仗別人的相關資源，也能幫助產業提昇競爭力。

對於客戶與使用者來說，此類開放硬體的好處在於不需太多的解釋，大多數有興趣購買的使用者多半已對此設計有一定程度的理解能力，只需將完整的安裝說明以及使用說明公開在網路上，建立一個可以溝通的社群管道，很快這樣的開放硬體社群就能發展起來，研發的意見也能從社群中取得，進而針對產品做正確的修正，更臻完美。

（作者為帝凱科技創辦人及Arduino.TW站長，對於開放硬體運動的推動一直不遺餘力）