# 什麽是3D打印

今天，3D打印技術已被成功應用到航空航天、汽車製造、工業(ye) 設計、教育教學、文化創意等諸多領域。3D打印是典型的“增材製造”，與(yu) 傳(chuan) 統的減材製造（從(cong) 胚料上切削去除多餘(yu) 材料）不同，3D打印是通過逐層堆積製造出實體(ti) 物品的。傳(chuan) 統的減材製造在加工複雜造型時，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複雜形狀需要用到車、銑、鏜等機加工方式，即便是用數控技術（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複雜造型，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，設備將絲(si) 狀原料加熱融化通過噴頭將材料選擇性地堆積在平台上，冷卻後便形成了一層截麵。打印完一層截麵後再打印下一層截麵，直至形成整個(ge) 實體(ti) 。

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(wei) 熱塑性彈性體(ti) 的一種常見類別，目前已經實現批量化生產(chan) 鞋中底、鞋麵等工業(ye) 應用）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，為(wei) 淺黃色或乳白色的粒料非結晶性樹脂，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，設備和耗材的價(jia) 格較低，根據能加工的尺寸、精度和速度的不同，機器本身的價(jia) 格從(cong) 幾百到上萬(wan) 元都有，耗材的價(jia) 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(hui) 發生一係列複雜的物理和化學變化，從(cong) 粘稠的液體(ti) 固化成固體(ti) ，光固化從(cong) 誕生到現在已經發展了好幾代，根據光源類型和照射方式的不同可以分為(wei) SLA、DLP和LCD三類。

以SLA為(wei) 例，液槽內(nei) 裝有液態的光敏樹脂原料，打印開始時，打印平台處於(yu) 液麵下，工作時通過透鏡聚焦激光束在打印平台上投射出光斑並沿著預定路徑進行掃描，掃描區域的樹脂固化，每完成一層平台就向上抬升一點之後繼續掃描下一層直至形成整個(ge) 實體(ti) 。

DLP則是一次直接把一整個(ge) 麵的造型投射到打印平台上屬於(yu) 麵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(yi) 領域也有比較廣泛的應用，與(yu) 投影儀(yi) 類似，DLP光固化成型的精度和打印尺寸有關(guan) 。

（注：DLP技術：光源通過色輪產(chan) 生不同顏色的光線，DMD芯片上有無數個(ge) 小鏡子，每個(ge) 小鏡子會(hui) 轉動方向，芯片會(hui) 根據需要顯示的像素和顏色，來轉動小鏡子，把需要顯示的像素和顏色反射到投影機的光學鏡頭，不需要顯示的小鏡子則轉到另一個(ge) 角度，最後通過鏡頭打到被投射的物體(ti) 上。

DLP在這裏是這種投影方式的名稱，它是一個(ge) 投影機的整體(ti) 解決(jue) 方案，DMD是顯示器件，你可以理解為(wei) 一個(ge) 芯片，在DLP係統中，除了DMD這個(ge) 顯示器件，它還需要配套的控製芯片，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(yu) DLP同為(wei) 麵成型，優(you) 點是打印速度快，精度則和屏幕分辨率有關(guan) ，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(jia) 格上比熱固化的機器貴許多。由於(yu) 光固化的層高很低，打印精度很高，打印出來的產(chan) 品表麵光滑細節豐(feng) 富甚至可以用來做手辦，DLP和LCD的整麵成型更是在成型速度上具有非常明顯的優(you) 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(nei) 需要做好通風處理。

耗材強度和耐熱性能與(yu) FDM常用的PLA和ABS相比有一定差距，價(jia) 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(chan) 品需要用酒精等有機溶劑清洗表麵殘留的樹脂，清洗機的價(jia) 格也比較貴，當然現在有了更方便的水洗樹脂，可以直接用水清洗，會(hui) 方便不少。清洗完成之後還需要拆除支撐再放到二次固化機內(nei) 再次用紫外光照射表麵進行二次固化，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(zhong) 化。

粉末成型：主要代表是SLS和SLM。

SLS是在加熱的平台上鋪一層粉末，然後通過激光束對粉末進行燒結使之結合在一起，完成一層後再鋪覆一層粉末進行下一層燒結，直至形成整個(ge) 實體(ti) 。

SLM的原理與(yu) SLS比較類似區別在於(yu) SLS需要添加額外的粘結劑，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劑；此外二者在光源的選擇上也有區別。粉末燒結技術的優(you) 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，一般對於(yu) 普通創作者來說，FDM打印機會(hui) 是比較理想的選擇，畢竟設備便宜，產(chan) 品和耗材容易保存，工作時不會(hui) 造成嚴(yan) 重的空氣汙染，隻要不放在臥室，關(guan) 上門噪音也能接受，而光固化無論是前期的準備還是後期的處理都非常麻煩，更適合那些對精度要求高，願意折騰的用戶，如果一定要購買(mai) 光固化打印機，那麽(me) SLA和DLP它們(men) 價(jia) 格太貴，LCD是適合大多數人的最優(you) 選擇。

# 第一步：建模

建模是一個(ge) 很直觀很容易理解的名詞，就是通過某種方式製作一個(ge) 最終需要打印物體(ti) 的3D數字模型。建模有專(zhuan) 門的軟件：

比如藝術設計類的建模軟件有：Rhino（犀牛）、ZBrush、3DsMAX等等；

3D動畫類的設計軟件有MAYA、BLeder等等；

工業(ye) 類的建模軟件有SolidWorks、Pro/E UG等等，

藝術類建模軟件和工業(ye) 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別，畫畫可以隨心所欲怎麽(me) 好看怎麽(me) 畫更重要的是藝術性和審美，但畫圖紙就完全不一樣，每根線多長，線與(yu) 線之間的夾角是多少，兩(liang) 個(ge) 平行線的距離是多少，都是需要精確的定義(yi) 的，所以藝術類的建模軟件更適合用來設計人體(ti) 、動物、花草樹木這種尺寸要求不高，但藝術審美要求較高的物體(ti) ，而工業(ye) 建模軟件更適合用來設計零件、電子產(chan) 品、工業(ye) 品等這類尺寸要求比較高的物體(ti) 。

重點來了，請記住不管用哪個(ge) 建模軟件，我們(men) 最終要得到的交付物是一樣的，就是一個(ge) STL格式的文件，這個(ge) 文件記錄了3D模型的三維空間數據，3D打印的後續操作呢都要基於(yu) STL文件進行，所以不管使用什麽(me) 3D軟件，最終的目標就是導出模型的STL格式文件，幾乎所有的建模軟件都支持STL文件的導出，這一點不用擔心，到這裏你可能想到最終需要的就是這個(ge) STL文件，所以即便你不會(hui) 使用3D建模軟件，隻要通過各種渠道獲得你想打印物體(ti) 的stl文件就行，目前最常見的方法就是在STL分享的網站上直接來下載。

不管通過何種方法，隻要得到了這個(ge) 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是將STL文件轉換成3D打印機能夠理解的文件格式，為(wei) 了更好的理解切片過程呢，咱們(men) 不妨先來看看3D打印機硬件的工作原理：

這裏我們(men) 使用最常見最普及的傳(chuan) 統3D打印機來舉(ju) 例，傳(chuan) 統的3D打印機也是一種數控係統，核心控製板同時控製著3個(ge) 步進電機的轉動來精準的移動材料擠出頭到允許空間內(nei) 的任意位置，兩(liang) 個(ge) 電機用來在x、y軸方向移動擠出頭，一個(ge) 電機用來在z軸移動打印平台，因為(wei) 我們(men) 一般將打印平台視為(wei) 原點所以可以理解為(wei) 擠出頭相對於(yu) 打印平台在z軸移動了。大部分3D打印機都是這種比較經典的三軸移動結構；

其實還有很多其他各種結構，比如下圖這款打印機的平台固定，擠出頭可以自由在x、y、z軸移動

不管什麽(me) 結構的3D打印機，最終隻要保證擠出頭相對於(yu) 打印平台在x、y、z三個(ge) 軸能自由移動即可。

由於(yu) 控製器可以精確的控製步進電機的轉動角度，再通過絲(si) 杆旋轉傳(chuan) 動，擠出頭可以獲得非常高的空間位移精度

注：（絲(si) 杆機構的原理就是利用外部驅動螺母與(yu) 螺杆上的螺紋相齧合實現螺杆旋轉運動與(yu) 螺母直線運動的轉化，螺紋間的角度越小，整個(ge) 機構的精度越高，而通常采用了絲(si) 杆機構的步進電機也被稱為(wei) 絲(si) 杆步進電機，其優(you) 勢在於(yu) 不需要再安裝其他外部機械聯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(yu) 步進電機的脈衝(chong) 量成正比，同時能利用脈衝(chong) 量來進行自鎖等）

除了控製空間移動的三個(ge) 步進電機外呢，打印機擠出頭還有一個(ge) 步進電機用來精準地控製打印材料的擠出量

精確的控製這四個(ge) 步進電機的工作狀態呢就是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，當打完一層以後，z軸移動一個(ge) 層高，然後開始打印第二層。

那麽(me) 切片是幹什麽(me) 的呢？沒錯，其實切片就是告訴3D打印機目標模型總共要打印多少層，每一層應該如何打印，這個(ge) 過程本質上其實是3D打印機執行G代碼的過程，這個(ge) 所謂的G代碼是一組指令集合，每一個(ge) 指令都對應了一個(ge) 具體(ti) 的操作

比如下麵這行G代碼指令，意思就是將擠出頭以每分鍾9000毫米的速度移動到x軸70.699，y軸72.424，z軸0.300這個(ge) 位置

G代碼的命令有很多這裏不做過多的解釋，有興(xing) 趣的朋友可以進一步查閱資料，下麵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行一行又一行G代碼命令的過程，那切片這個(ge) 步驟要做的事情就是將STL文件轉化為(wei) G代碼文件，具體(ti) 操作就比較簡單了一般買(mai) 回來的3D打印機會(hui) 自帶配套的切片軟件比如買(mai) 創想三維會(hui) 帶一個(ge) u盤，u盤裏就會(hui) 給你附帶一個(ge) 的Creality Print切片軟件，或者你也可以用Cura這個(ge) 軟件來完成切片操作。

#打印

當打印機和耗材準備好，我們(men) 隻需要通過sd卡，u盤，網線，局域網，數據線等各種各樣打印機支持的方式將G代碼傳(chuan) 輸到打印機，然後操作打印機開始工作就行了。