# 什么是3D打印

今天，3D打印技術(shù)已被成功應(yīng)用到航空航天、汽車制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、教育教學(xué)、文化創(chuàng)意等諸多領(lǐng)域。3D打印是典型的“增材制造”，與傳統(tǒng)的減材制造（從胚料上切削去除多余材料）不同，3D打印是通過(guò)逐層堆積制造出實(shí)體物品的。傳統(tǒng)的減材制造在加工復(fù)雜造型時(shí)，需要多種加工方式配合比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如果想要通過(guò)機(jī)床加工出復(fù)雜形狀需要用到車、銑、鏜等機(jī)加工方式，即便是用數(shù)控技術(shù)（CNC加工中心），也需要多次更換刀具才能完成。 而3D打印則能以較低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型，一次便可打印完成。

#3D打印類型

熔融堆積成型（FDM）：FDM就是把融化的材料逐層堆積的打印方式，在打印時(shí)，設(shè)備將絲狀原料加熱融化通過(guò)噴頭將材料選擇性地堆積在平臺(tái)上，冷卻后便形成了一層截面。打印完一層截面后再打印下一層截面，直至形成整個(gè)實(shí)體。

這種3D打印方式是最常見(jiàn)的，可以打印PLA（聚乳酸，是主流的可降解塑料之一）、TPU（TPU作為熱塑性彈性體的一種常見(jiàn)類別，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)鞋中底、鞋面等工業(yè)應(yīng)用）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，為淺黃色或乳白色的粒料非結(jié)晶性樹脂，是使用最廣泛的通用塑料之一）等熱塑性材料。

FDM的打印方式，設(shè)備和耗材的價(jià)格較低，根據(jù)能加工的尺寸、精度和速度的不同，機(jī)器本身的價(jià)格從幾百到上萬(wàn)元都有，耗材的價(jià)格在50-100元每千克不等。

光固化成型：耗材是光敏樹脂，在特定波長(zhǎng)的光（例如紫外光）的照射下，光敏樹脂會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，從粘稠的液體固化成固體，光固化從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了好幾代，根據(jù)光源類型和照射方式的不同可以分為SLA、DLP和LCD三類。

以SLA為例，液槽內(nèi)裝有液態(tài)的光敏樹脂原料，打印開(kāi)始時(shí)，打印平臺(tái)處于液面下，工作時(shí)通過(guò)透鏡聚焦激光束在打印平臺(tái)上投射出光斑并沿著預(yù)定路徑進(jìn)行掃描，掃描區(qū)域的樹脂固化，每完成一層平臺(tái)就向上抬升一點(diǎn)之后繼續(xù)掃描下一層直至形成整個(gè)實(shí)體。

DLP則是一次直接把一整個(gè)面的造型投射到打印平臺(tái)上屬于面成型一次直接打印一整層，因此速度比SLA快很多。DLP在投影儀領(lǐng)域也有比較廣泛的應(yīng)用，與投影儀類似，DLP光固化成型的精度和打印尺寸有關(guān)。

（注：DLP技術(shù)：光源通過(guò)色輪產(chǎn)生不同顏色的光線，DMD芯片上有無(wú)數(shù)個(gè)小鏡子，每個(gè)小鏡子會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，芯片會(huì)根據(jù)需要顯示的像素和顏色，來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)小鏡子，把需要顯示的像素和顏色反射到投影機(jī)的光學(xué)鏡頭，不需要顯示的小鏡子則轉(zhuǎn)到另一個(gè)角度，最后通過(guò)鏡頭打到被投射的物體上。

DLP在這里是這種投影方式的名稱，它是一個(gè)投影機(jī)的整體解決方案，DMD是顯示器件，你可以理解為一個(gè)芯片，在DLP系統(tǒng)中，除了DMD這個(gè)顯示器件，它還需要配套的控制芯片，這些配套芯片分工合作）

LCD則是使用液晶屏進(jìn)行打印的光固化成型方案，與DLP同為面成型，優(yōu)點(diǎn)是打印速度快，精度則和屏幕分辨率有關(guān)，缺點(diǎn)是液晶屏的壽命比較短，通常打印幾千小時(shí)就需要更換屏幕，屏幕也算耗材，而DLP和SLA的壽命則要長(zhǎng)得多。

光固化的機(jī)器在價(jià)格上比熱固化的機(jī)器貴許多。由于光固化的層高很低，打印精度很高，打印出來(lái)的產(chǎn)品表面光滑細(xì)節(jié)豐富甚至可以用來(lái)做手辦，DLP和LCD的整面成型更是在成型速度上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是光敏樹脂這種耗材本身有刺激性氣味和微毒性，室內(nèi)需要做好通風(fēng)處理。

耗材強(qiáng)度和耐熱性能與FDM常用的PLA和ABS相比有一定差距，價(jià)格要高出不少，1KG的光敏樹脂往往要200元以上，此外光固化打印的產(chǎn)品需要用酒精等有機(jī)溶劑清洗表面殘留的樹脂，清洗機(jī)的價(jià)格也比較貴，當(dāng)然現(xiàn)在有了更方便的水洗樹脂，可以直接用水清洗，會(huì)方便不少。清洗完成之后還需要拆除支撐再放到二次固化機(jī)內(nèi)再次用紫外光照射表面進(jìn)行二次固化，處理起來(lái)很是麻煩，這些特性在很大程度上阻礙了光固化的推廣，使得光固化遠(yuǎn)不如FDM大眾化。

粉末成型：主要代表是SLS和SLM。

SLS是在加熱的平臺(tái)上鋪一層粉末，然后通過(guò)激光束對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)使之結(jié)合在一起，完成一層后再鋪覆一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)，直至形成整個(gè)實(shí)體。

SLM的原理與SLS比較類似區(qū)別在于SLS需要添加額外的粘結(jié)劑，如低熔點(diǎn)金屬或樹脂，而SLM則是通過(guò)直接完全熔融材料粉末進(jìn)行成型，因此不需要額外添加粘結(jié)劑；此外二者在光源的選擇上也有區(qū)別。粉末燒結(jié)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是打印精度高，可以打印金屬和陶瓷等材料，缺點(diǎn)是成本十分高昂，在打印大尺寸零件時(shí)容易發(fā)生翹曲，工作時(shí)異味較大等。

需要注意的是這些特點(diǎn)也不是絕對(duì)的，比如FDM打印機(jī)也有高速打印的型號(hào)存在，一般對(duì)于普通創(chuàng)作者來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DM打印機(jī)會(huì)是比較理想的選擇，畢竟設(shè)備便宜，產(chǎn)品和耗材容易保存，工作時(shí)不會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染，只要不放在臥室，關(guān)上門噪音也能接受，而光固化無(wú)論是前期的準(zhǔn)備還是后期的處理都非常麻煩，更適合那些對(duì)精度要求高，愿意折騰的用戶，如果一定要購(gòu)買光固化打印機(jī)，那么SLA和DLP它們價(jià)格太貴，LCD是適合大多數(shù)人的最優(yōu)選擇。

# 第一步：建模

建模是一個(gè)很直觀很容易理解的名詞，就是通過(guò)某種方式制作一個(gè)最終需要打印物體的3D數(shù)字模型。建模有專門的軟件：

比如藝術(shù)設(shè)計(jì)類的建模軟件有：Rhino（犀牛）、ZBrush、3DsMAX等等；

3D動(dòng)畫類的設(shè)計(jì)軟件有MAYA、BLeder等等；

工業(yè)類的建模軟件有SolidWorks、Pro/E UG等等，

藝術(shù)類建模軟件和工業(yè)類建模軟件的建模思路差異還是非常大的，這就像畫畫和畫圖紙的區(qū)別，畫畫可以隨心所欲怎么好看怎么畫更重要的是藝術(shù)性和審美，但畫圖紙就完全不一樣，每根線多長(zhǎng)，線與線之間的夾角是多少，兩個(gè)平行線的距離是多少，都是需要精確的定義的，所以藝術(shù)類的建模軟件更適合用來(lái)設(shè)計(jì)人體、動(dòng)物、花草樹木這種尺寸要求不高，但藝術(shù)審美要求較高的物體，而工業(yè)建模軟件更適合用來(lái)設(shè)計(jì)零件、電子產(chǎn)品、工業(yè)品等這類尺寸要求比較高的物體。

重點(diǎn)來(lái)了，請(qǐng)記住不管用哪個(gè)建模軟件，我們最終要得到的交付物是一樣的，就是一個(gè)STL格式的文件，這個(gè)文件記錄了3D模型的三維空間數(shù)據(jù)，3D打印的后續(xù)操作呢都要基于STL文件進(jìn)行，所以不管使用什么3D軟件，最終的目標(biāo)就是導(dǎo)出模型的STL格式文件，幾乎所有的建模軟件都支持STL文件的導(dǎo)出，這一點(diǎn)不用擔(dān)心，到這里你可能想到最終需要的就是這個(gè)STL文件，所以即便你不會(huì)使用3D建模軟件，只要通過(guò)各種渠道獲得你想打印物體的stl文件就行，目前最常見(jiàn)的方法就是在STL分享的網(wǎng)站上直接來(lái)下載。

不管通過(guò)何種方法，只要得到了這個(gè)STL文件那第一步就算完成了。

#切片

切片是進(jìn)行3D打印的第二步，也是最不容易理解的一步，其實(shí)切片操作的本質(zhì)是將STL文件轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠理解的文件格式，為了更好的理解切片過(guò)程呢，咱們不妨先來(lái)看看3D打印機(jī)硬件的工作原理：

這里我們使用最常見(jiàn)最普及的傳統(tǒng)3D打印機(jī)來(lái)舉例，傳統(tǒng)的3D打印機(jī)也是一種數(shù)控系統(tǒng)，核心控制板同時(shí)控制著3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)精準(zhǔn)的移動(dòng)材料擠出頭到允許空間內(nèi)的任意位置，兩個(gè)電機(jī)用來(lái)在x、y軸方向移動(dòng)擠出頭，一個(gè)電機(jī)用來(lái)在z軸移動(dòng)打印平臺(tái)，因?yàn)槲覀円话銓⒋蛴∑脚_(tái)視為原點(diǎn)所以可以理解為擠出頭相對(duì)于打印平臺(tái)在z軸移動(dòng)了。大部分3D打印機(jī)都是這種比較經(jīng)典的三軸移動(dòng)結(jié)構(gòu)；

其實(shí)還有很多其他各種結(jié)構(gòu)，比如下圖這款打印機(jī)的平臺(tái)固定，擠出頭可以自由在x、y、z軸移動(dòng)

不管什么結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，最終只要保證擠出頭相對(duì)于打印平臺(tái)在x、y、z三個(gè)軸能自由移動(dòng)即可。

由于控制器可以精確的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再通過(guò)絲桿旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)，擠出頭可以獲得非常高的空間位移精度

注：（絲桿機(jī)構(gòu)的原理就是利用外部驅(qū)動(dòng)螺母與螺桿上的螺紋相嚙合實(shí)現(xiàn)螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與螺母直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，螺紋間的角度越小，整個(gè)機(jī)構(gòu)的精度越高，而通常采用了絲桿機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)也被稱為絲桿步進(jìn)電機(jī)，其優(yōu)勢(shì)在于不需要再安裝其他外部機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置也能使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度也可以直接與步進(jìn)電機(jī)的脈沖量成正比，同時(shí)能利用脈沖量來(lái)進(jìn)行自鎖等）

除了控制空間移動(dòng)的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)外呢，打印機(jī)擠出頭還有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用來(lái)精準(zhǔn)地控制打印材料的擠出量

精確的控制這四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)呢就是3D打印機(jī)最核心的工作原理。

實(shí)際工作時(shí)，3D打印機(jī)是將打印目標(biāo)一層一層的打印出來(lái)，所以大部分時(shí)間擠出頭是在x軸y軸運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)打完一層以后，z軸移動(dòng)一個(gè)層高，然后開(kāi)始打印第二層。

那么切片是干什么的呢？沒(méi)錯(cuò)，其實(shí)切片就是告訴3D打印機(jī)目標(biāo)模型總共要打印多少層，每一層應(yīng)該如何打印，這個(gè)過(guò)程本質(zhì)上其實(shí)是3D打印機(jī)執(zhí)行G代碼的過(guò)程，這個(gè)所謂的G代碼是一組指令集合，每一個(gè)指令都對(duì)應(yīng)了一個(gè)具體的操作

比如下面這行G代碼指令，意思就是將擠出頭以每分鐘9000毫米的速度移動(dòng)到x軸70.699，y軸72.424，z軸0.300這個(gè)位置

G代碼的命令有很多這里不做過(guò)多的解釋，有興趣的朋友可以進(jìn)一步查閱資料，下面給大家列出一些常用的指令：

總之，3D打印機(jī)的工作過(guò)程其實(shí)就是執(zhí)行一行又一行G代碼命令的過(guò)程，那切片這個(gè)步驟要做的事情就是將STL文件轉(zhuǎn)化為G代碼文件，具體操作就比較簡(jiǎn)單了一般買回來(lái)的3D打印機(jī)會(huì)自帶配套的切片軟件比如買創(chuàng)想三維會(huì)帶一個(gè)u盤，u盤里就會(huì)給你附帶一個(gè)的Creality Print切片軟件，或者你也可以用Cura這個(gè)軟件來(lái)完成切片操作。

#打印

當(dāng)打印機(jī)和耗材準(zhǔn)備好，我們只需要通過(guò)sd卡，u盤，網(wǎng)線，局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)線等各種各樣打印機(jī)支持的方式將G代碼傳輸?shù)酱蛴�機(jī)，然后操作打印機(jī)開(kāi)始工作就行了。