# 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、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打印是通過逐層堆積制造出實體物品的。傳統(tǒng)的減材制造在加工復(fù)雜造型時，需要多種加工方式配合比較費時費力，如果想要通過機床加工出復(fù)雜形狀需要用到車、銑、鏜等機加工方式，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，設(shè)備將絲狀原料加熱融化通過噴頭將材料選擇性地堆積在平臺上，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，直至形成整個實體。

這種3D打印方式是最常見的，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類別，目前已經(jīng)實現(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)備和耗材的價格較低，根據(jù)能加工的尺寸、精度和速度的不同，機器本身的價格從幾百到上萬元都有，耗材的價格在50-100元每千克不等。

光固化成型：耗材是光敏樹脂，在特定波長的光（例如紫外光）的照射下，光敏樹脂會發(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，打印開始時，打印平臺處于液面下，工作時通過透鏡聚焦激光束在打印平臺上投射出光斑并沿著預(yù)定路徑進行掃描，掃描區(qū)域的樹脂固化，每完成一層平臺就向上抬升一點之后繼續(xù)掃描下一層直至形成整個實體。

DLP則是一次直接把一整個面的造型投射到打印平臺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)：光源通過色輪產(chǎn)生不同顏色的光線，DMD芯片上有無數(shù)個小鏡子，每個小鏡子會轉(zhuǎn)動方向，芯片會根據(jù)需要顯示的像素和顏色，來轉(zhuǎn)動小鏡子，把需要顯示的像素和顏色反射到投影機的光學(xué)鏡頭，不需要顯示的小鏡子則轉(zhuǎn)到另一個角度，最后通過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，它是一個投影機的整體解決方案，DMD是顯示器件，你可以理解為一個芯片，在DLP系統(tǒng)中，除了DMD這個顯示器件，它還需要配套的控制芯片，這些配套芯片分工合作）

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

光固化的機器在價格上比熱固化的機器貴許多。由于光固化的層高很低，打印精度很高，打印出來的產(chǎn)品表面光滑細節(jié)豐富甚至可以用來做手辦，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。缺點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。

耗材強度和耐熱性能與FDM常用的PLA和ABS相比有一定差距，價格要高出不少，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溶劑清洗表面殘留的樹脂，清洗機的價格也比較貴，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內(nèi)再次用紫外光照射表面進行二次固化，處理起來很是麻煩，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是在加熱的平臺上鋪一層粉末，然后通過激光束對粉末進行燒結(jié)使之結(jié)合在一起，完成一層后再鋪覆一層粉末進行下一層燒結(jié)，直至形成整個實體。

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，如低熔點金屬或樹脂，而SLM則是通過直接完全熔融材料粉末進行成型，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)點是打印精度高，可以打印金屬和陶瓷等材料，缺點是成本十分高昂，在打印大尺寸零件時容易發(fā)生翹曲，工作時異味較大等。

需要注意的是這些特點也不是絕對的，比如FDM打印機也有高速打印的型號存在，一般對于普通創(chuàng)作者來說，F(xiàn)DM打印機會是比較理想的選擇，畢竟設(shè)備便宜，產(chǎn)品和耗材容易保存，工作時不會造成嚴(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，更適合那些對精度要求高，愿意折騰的用戶，如果一定要購買光固化打印機，那么SLA和DLP它們價格太貴，LCD是適合大多數(shù)人的最優(yōu)選擇。

# 第一步：建模

建模是一個很直觀很容易理解的名詞，就是通過某種方式制作一個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)計類的建模軟件有：Rhino（犀牛）、ZBrush、3DsMAX等等；

3D動畫類的設(shè)計軟件有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，線與線之間的夾角是多少，兩個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設(shè)計人體、動物、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設(shè)計零件、電子產(chǎn)品、工業(yè)品等這類尺寸要求比較高的物體。

重點來了，請記住不管用哪個建模軟件，我們最終要得到的交付物是一樣的，就是一個STL格式的文件，這個文件記錄了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，這一點不用擔(dān)心，到這里你可能想到最終需要的就是這個STL文件，所以即便你不會使用3D建模軟件，只要通過各種渠道獲得你想打印物體的stl文件就行，目前最常見的方法就是在STL分享的網(wǎng)站上直接來下載。

不管通過何種方法，只要得到了這個STL文件那第一步就算完成了。

#切片

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

這里我們使用最常見最普及的傳統(tǒng)3D打印機來舉例，傳統(tǒng)的3D打印機也是一種數(shù)控系統(tǒng)，核心控制板同時控制著3個步進電機的轉(zhuǎn)動來精準(zhǔn)的移動材料擠出頭到允許空間內(nèi)的任意位置，兩個電機用來在x、y軸方向移動擠出頭，一個電機用來在z軸移動打印平臺，因為我們一般將打印平臺視為原點所以可以理解為擠出頭相對于打印平臺在z軸移動了。大部分3D打印機都是這種比較經(jīng)典的三軸移動結(jié)構(gòu)；

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

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

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

注：（絲桿機構(gòu)的原理就是利用外部驅(qū)動螺母與螺桿上的螺紋相嚙合實現(xiàn)螺桿旋轉(zhuǎn)運動與螺母直線運動的轉(zhuǎn)化，螺紋間的角度越小，整個機構(gòu)的精度越高，而通常采用了絲桿機構(gòu)的步進電機也被稱為絲桿步進電機，其優(yōu)勢在于不需要再安裝其他外部機械聯(lián)動裝置也能使用步進電機進行精密的線性運動，運動速度也可以直接與步進電機的脈沖量成正比，同時能利用脈沖量來進行自鎖等）

除了控制空間移動的三個步進電機外呢，打印機擠出頭還有一個步進電機用來精準(zhǔn)地控制打印材料的擠出量

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

實際工作時，3D打印機是將打印目標(biāo)一層一層的打印出來，所以大部分時間擠出頭是在x軸y軸運動的，當(dāng)打完一層以后，z軸移動一個層高，然后開始打印第二層。

那么切片是干什么的呢？沒錯，其實切片就是告訴3D打印機目標(biāo)模型總共要打印多少層，每一層應(yīng)該如何打印，這個過程本質(zhì)上其實是3D打印機執(zhí)行G代碼的過程，這個所謂的G代碼是一組指令集合，每一個指令都對應(yīng)了一個具體的操作

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

G代碼的命令有很多這里不做過多的解釋，有興趣的朋友可以進一步查閱資料，下面給大家列出一些常用的指令：

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

#打印

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