為教學而設計的簡易3D打印機

目的和意義

2009年第一臺開放設計的RepRap 3D打印機面世后，世界各地都開始探討3D打印將如何改變傳統的設計及生產，以及如何引發更大的創意。而教學上應用3D打印，亦有利于學生發揮更大的創意。過去，學生可能有一些很好的設計創意，但礙于手工等技術問題，未能將想法轉化為實物，不能評估成果，亦未能了解自己設計的優劣，減少了學生進步的空間。因此，世界各地都開始思考如何在教學上有效地應用3D打印，而部分先進國家如美國已經開始嘗試在學校推廣。中國香港亦有少部分學校開始引入3D打印。

但是于教學上引入3D打印并不容易。一個主要原因在于打印速度緩慢。打印一件邊長8cm的立方體，層厚0.25mm時，一般需要好幾個小時。如果只利用1臺3D打印機進行教學，明顯地難以讓所有學生同時使用。雖然老師可以安排學生輪流使用，但課程進度必然會被拖慢，降低學生的學習興趣。而且，學生的設計無法盡快實現，也不利于學生進一步的研究及改善。

當然，通過添置更多3D打印機，可以使更多學生有機會于課堂實時使用。但現有的3D打印機機身很大，因此難以在計算機室中添置更多3D打印機，讓每個學生都能親身使用，且一般3D打印機價值數千元至數萬元不等，難以推廣至日常教學。因此，若要于教學上引入3D打印，將其普及化，非常需要發明一臺可以簡易制作的低價3D打印機。

制作目標

為方便制作及推廣，設計時考慮了以下各點，使老師及學生都易于自行制作及保養。

由于香港不少中學都備有激光切割機，所以整個機身結構全部利用激光切割而成的膠片組成。

盡可能選用標準五金零件、電路板、噴嘴及步進馬達，以便于購買，而且價錢會比較便宜。

盡量減少零件，而且須易于組裝，目標是學生可以自行制作及保養。

機身結構由Rep Rap的開放型設計，變為箱形設計。目的是避免學生意外接觸發熱噴嘴，使操作更安全。而且箱形設計易于收藏，打印時亦有利于保持打印溫度，提高打印質量。

單件制作成本低于HK$1500。

面對難題

為了在計算機室的有限空間里還能實現一人一機，機身尺寸必須盡量縮小；但又要充分利用機身內部空間，增加可打印體積，因此內部零件必須盡量使用更細小緊密的設計。有些主要零件，很難選用比較小的尺寸，如電路板、步進電機、噴嘴等，為此設計上花費了大量時間。

市面的3D打印機一般會選用42系列步進電機（邊長42mm），因為這種電機的驅動力矩比較大。但由于需要更緊湊的尺寸，因此本設計選用了28系列（邊長28mm），然后在機械結構上，加入動滑輪設計，使步進電機的力矩倍增，加上輕量化設計，確保整個系統可以穩定運作。

開發過程

設計。本設計由一開始便利用計算機輔助設計軟件進行，確保設計的精確度，并方便不斷修改。基本設計分為4個主要部分：機身、打印平臺、升降平臺及打印噴嘴組件。

制作。完成設計后，開始利用激光切割制作機身零件。機身材料使用3mm厚的亞克力膠片。每加工一件后都立即組裝測試，以確定設計是否精確，見圖1。

測試。完成組裝后，便開始連接電路，進行控制及機件運行測試。機件運行測試目的在于觀察機件是否運行順暢，特別是小力矩的步進電機是否可以推動各平臺，以及動滑輪設計是否有效運作。另外，還要測試打印噴嘴（見圖2），觀察是否能順利將膠料打印出來。

打印。完成組裝及運行測試后，確定一切運作正常，便開始打印測試。打印測試在于修改打印機各項軟件參數，以得出更好及更穩定的打印質量。完成后的教學用3D打印機見圖3。

總結

對比起市面現有的3D打印機，本發明特別之處在于機身細小，制作簡易，價錢便宜。因此可以做到用于學校的計算機室，實現一人一機的教學，讓學生享受3D打印帶來的好處，發揮學生創意，特別適合在學界普及。學生制作的部分作品見圖4。

后續發展

本發明樣機已經穩定運作，現在正優化結構，嘗試減少零件數目，從而進一步減少制作時間。同時，已經在學校制作了30臺同款打印機，已于2014年4月后正式在課堂使用。今后，還會將整個設計公開，使其成為開放硬件，方便有興趣的老師和學生自行制作，從而使更多學校和學生受惠，達到普及應用。

另外，發明之后，曾多次在各個公開場合推廣，希望可以更快普及，讓更多學生和老師受惠。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，在通常的3D打印機的結構改進上有突破。作品效果顯著，制作規范具有示范推廣價值。希望項目能進一步提高打印精度。