從技術(shù)原理到后期維護(hù) 3D打印機(jī)最全科普

　　3D打印可以將電腦里的3D建模文件變成實(shí)物，打印過程無需干預(yù)而且精度遠(yuǎn)超手工制作，聽起來和用起來都相當(dāng)炫酷。雖然它火了很久，但在大眾面前它們還很神秘。考慮到很多人其實(shí)用不著，但又有剁手的沖動(dòng)，那就是來一發(fā)科普好了。

　　本文將從“原理、分類、軟件和核心部件、打印過程、精度、可用度”等幾方面對(duì)3D打印和3D掃描進(jìn)行簡(jiǎn)單的科普和掃盲。

原理與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　3D打印是一種通過堆疊薄層制造三維物體的技術(shù)。它的關(guān)鍵詞是薄層堆疊，通過不同原理讓原料一層層地成型和堆疊。

　　雖然聽起來高大上，但大概原理只是一個(gè)能在XY軸平面上移動(dòng)的噴頭，精確控制原料的位置，打完一層后，平臺(tái)下移（一般是0.1mm）后再打下一層，直至打印出整個(gè)成品。

　　對(duì)比銑床（通過銑刀對(duì)材料從外到內(nèi)進(jìn)行切削）、熔鑄（融化后倒入模具成型）等傳統(tǒng)加工方式，3D打印的最大優(yōu)勢(shì)是可以制造有復(fù)雜內(nèi)部空間的成品，而且材料利用率接近100%。

3D打印的類型

3D打印原理分類及優(yōu)缺點(diǎn)

打印精度對(duì)比

　　根據(jù)原料成型原理的不同，成本從低到高排列，分別是熔積成型、光敏固化、粉末粘接、激光燒結(jié)等4種，它們的工作原理如下：

　　熔融沉積成型（FDM，全稱Fused      Deposition Modeling），噴頭將絲狀熱熔性材料加熱融化擠噴出來，材料遇到溫度更低的打印平臺(tái)后凝固，通過層層堆積形成最終成品。

　　光固化成型（SLA，全稱Stereolithigraphy Apparatus）通過紫外光等光源照射光敏樹脂材料，讓其逐層凝固成型，通過層層堆積形成最終成品完整的產(chǎn)品。其是最早發(fā)展起來、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型技術(shù)。

　　粉末粘接（3DP，全稱Three      Dimensional Printing and Gluing）通過噴嘴將粘合劑噴噴灑在陶瓷/金屬/塑料粉末等材料上，不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加而得到成品。

　　激光燒結(jié) （SLS，全稱Selecting Laser Sintering）類似上兩種技術(shù)的混合體，通過大功率激光照射金屬粉末等原料，使其燒結(jié)/融接。不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程直至完成整個(gè)模型成型。它才是工業(yè)上經(jīng)常提到的3D打印。

　　成本最高的激光燒結(jié)和粉末粘接技術(shù)中，一個(gè)桌面機(jī)型極少，一個(gè)連桌面級(jí)產(chǎn)品都還沒出現(xiàn)。而采用光固化技術(shù)的機(jī)型，價(jià)格一般從20000元起跳，所以現(xiàn)時(shí)民用級(jí)3d打印機(jī)，用的基本都是成本最低的熔積成型技術(shù)，很多廠家甚至已經(jīng)可以把售價(jià)控制在2000元左右。所以剁手門檻最低的它們才是本篇科普的主角。

控制軟件

　　除了核心的機(jī)械部件，打印機(jī)還需要最終控制打印頭移動(dòng)的3D建模文件才能工作。雖然打印機(jī)基本都帶顯示屏和控制按鈕，但打印所需的3D建模文件依舊需要電腦的幫忙。中高端產(chǎn)品一般可以連接電腦并有專門的客戶端，而低端產(chǎn)品一般省略連接功能，只能通過讀取SD卡中的文件進(jìn)行打印。

　　3D打印機(jī)只能讀取經(jīng)過切層處理的3D建模文件（約等于將3D數(shù)字模型做了N層切片），可以通過3Dmax、CAD、MAYA等建模軟件輸出的.stl .3w格式文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換。

　　很多廠家網(wǎng)站的素材庫、建模網(wǎng)站都能找到現(xiàn)成的3D建模文件，有軟件基礎(chǔ)的用戶可以自行建模。入門用戶最喜聞樂見的除了手辦外，自然還是手機(jī)殼，掛飾等小玩意。

核心部件說明

　　3D打印的關(guān)鍵詞是薄層堆疊，對(duì)于熔積成型技術(shù)的3D打印機(jī)來說，可以在二維平面移動(dòng)的打印頭負(fù)責(zé)“薄層”，可以上下移動(dòng)的平臺(tái)負(fù)責(zé)“堆疊”。其核心部件不多，以剛評(píng)測(cè)完的三緯da Vinci 1.0 AiO為例：

　　打印頭是個(gè)可以在XY軌道上精確移動(dòng)的加熱裝置，可以加熱融化ABS/PLA材料，內(nèi)部有壓入原料絲的齒輪，背后有散熱風(fēng)扇。機(jī)器通過皮帶傳動(dòng)，打印頭可以在X軸上左右移動(dòng)，而打印頭和整個(gè)X軸都架在了Y軸上。

　　打印平臺(tái)是個(gè)帶加熱功能，可以精確控制上下移動(dòng)的玻璃板，最高加熱溫度為90度（防止落到平臺(tái)的ABS原料因溫度太低而無法粘連），動(dòng)力來源是底部的馬達(dá)。平臺(tái)邊上一般會(huì)有校準(zhǔn)位置用的定位點(diǎn)，以及調(diào)整平臺(tái)水平姿態(tài)（前傾后延等）的螺絲。

原料

　　原料方面，主流將ABS樹脂和PLA（生物降解塑料聚乳酸）材料，做成固定直徑的線材（1.75mm）并捆在線筒上，價(jià)格一般在200元/1kg左右。部分廠家會(huì)采用盒子封裝，并在底部加上芯片，提供原料類型和剩余量記錄功能，用起來會(huì)方便一點(diǎn)，而代價(jià)自然是成本會(huì)更高一些。

　　兩種材料都可以被染上不同的顏色，它們的使用區(qū)別在熔點(diǎn)上，ABS熔點(diǎn)為220度左右，不透明亞光質(zhì)感，強(qiáng)度更高，需要平臺(tái)被加熱到90度才能正常成型，但有毒性，使用時(shí)會(huì)有塑料燒焦的臭味，而且本身熱收縮性較大，成品精度會(huì)低一點(diǎn)

　　PLA熔點(diǎn)在200度左右，加工時(shí)的能耗更低，速度更快，其半透明質(zhì)感更加光亮，平臺(tái)加熱到45就能正常成型，無毒環(huán)保幾乎無異味，正在慢慢淘汰ABS成為主要的打印原料。

打印過程與維護(hù)

　　打印前要在平臺(tái)上涂上固體膠，其作用是作為隔層，方便最后的成品移除。打印第一步是加熱打印頭和平臺(tái)，耗時(shí)因機(jī)器功率而異，500W以下的機(jī)器一般可以在1-2分鐘內(nèi)完成打印頭的加溫，但平臺(tái)卻要5-6分鐘左右才能從常溫升到90度。

　　隨后，打印平臺(tái)升到最高點(diǎn)就可以開始打印了，過程就是啰嗦過多次的：線狀的打印原料在打印頭中被加熱融化，以流體的狀態(tài)流出，在接觸打印平臺(tái)后硬化粘連。打印頭的移動(dòng)軌跡會(huì)被這些原料“記錄”下來，打完一層后，平臺(tái)下移，機(jī)器再打第二層，直至把整個(gè)物體打印出來。

　　原料可以被染色，但熔積成型打印機(jī)只能通過中途變換原料的方式，打印出純色或橫向顏色變化的物體。所以一般是把成品不同顏色的部分分開打印，最后像模型一樣再組裝起來。

　　工作過程中只有XYZ軸3個(gè)電機(jī)，以及打印頭的散熱風(fēng)扇的聲音，噪音不大。但如果用的是ABS樹脂，則還需要做額外的通風(fēng)措施。

　　桌面打印機(jī)一般拆封就能直接使用，但如果使用時(shí)間太長(zhǎng)、成品和平臺(tái)總是粘連過緊而需動(dòng)用鐵鏟和暴力，則需要自行對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平。否則可能會(huì)影響成型質(zhì)量，嚴(yán)重的話，可能會(huì)讓打印頭和平臺(tái)碰撞而產(chǎn)生變形。另外，用久了的打印頭也是相當(dāng)臟的，偶爾還要用鐵絲給材料出口“通便”。

掃描功能

　　現(xiàn)在某些高端型號(hào)的入門機(jī)開始具備3D掃描功能，可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描并生成3D建模文件，通過這個(gè)文件就可以再復(fù)制一個(gè)同樣的產(chǎn)品。

而3D掃描分為接觸和非接觸式，前者是用傳統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)接觸物體搜集空間信息，精度和成本都很高，而且速度奇慢；后者主要使用激光、低頻聲波等進(jìn)行間接掃描，速度快但精度一般，一般需要多次掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。

3D掃描過程

掃描文件

　　現(xiàn)時(shí)打印機(jī)中內(nèi)置的一般是激光掃描裝置。被掃描物體放在可旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，掃描器發(fā)出激光平面打在掃描物體上，接收器根據(jù)反射回來光線計(jì)算除物體的空間點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　不過遺憾的是，即使是萬元級(jí)打印機(jī)自帶的掃描功能，基本都處在不可用的狀態(tài)。掃描功能的限制很多，會(huì)讓光線散射不正常的物質(zhì)特性，幾乎都會(huì)影響掃描效果，物體高度太低、顏色太深、顏色種類太多、表面太光滑、凹坑太復(fù)雜、內(nèi)部深度太大等都會(huì)影響最終效果。

　　用它來掃描簡(jiǎn)單的幾何體當(dāng)然不成問題，但想用它來掃描復(fù)雜的手辦，甚至高達(dá)模型之類的話，那就基本無望了……

　　另外，多增加3D掃描功能的機(jī)型，一般會(huì)比原生機(jī)型貴3、4000元，這裝逼成本太高，故并不建議購買帶3D掃描功能的衍生型號(hào)。

打印速度&打印精度

　　終于說到3D打印機(jī)最核心的部分了。3D打印的速度遠(yuǎn)比正常人想象中的慢，不過也很好理解：每一層的打印厚度在0.1-0.4mm（擠出的是0.1mm寬的原料絲），那打印1cm高的產(chǎn)品就得打印超過25-100層了……

　　其打印耗時(shí)和打印精度/層厚成正比，而且因?yàn)樵铣鼋z速度固定，它們的打印耗時(shí)很容易計(jì)算。作為參考，以精度（層厚）0.3mm的時(shí)候，打印一個(gè)4克重的空心表殼就需要30分鐘了。如果打印的是一個(gè)手掌大的手辦，而且它還有100多克重的話，打印耗時(shí)就要突破12小時(shí)了囧。

實(shí)際打印樣品

　　打印精度方面，很多人都以為3D打印機(jī)的成品可以作為最終產(chǎn)品，但這只針對(duì)光固化成型的打印機(jī)，其余3種打印機(jī)的產(chǎn)品更像是毛坯，如果對(duì)外形和精度要求高的話，成品本身還是經(jīng)過再次打磨。

　　而更可悲的是，成本最低的熔積成型打印機(jī)，在每一層之間有明顯的接合痕跡，俗稱“臺(tái)階效應(yīng)”，導(dǎo)致其表面相當(dāng)粗糙。看到入門級(jí)熔積成型打印機(jī)的作品之后，或許很多用戶都會(huì)有一定的心理落差。

實(shí)際可用度&限制

　　雖然3D打印的薄層堆疊原理，可以應(yīng)對(duì)很多復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但這個(gè)也帶來了相應(yīng)的限制：

· 橫向強(qiáng)度不足：無論是哪種原理的打印機(jī)，它們都是縱向的薄層堆疊，所以橫向強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)低于縱向；

· 下小上大的物體需要額外的支撐機(jī)構(gòu)：受重力影響，3D打印也不可能打印出懸空的物體，故需要在懸空物體下方額外打印支架或框架；

· 要打印出多種顏色的產(chǎn)品，只能中途變換原料或分開打印的形式進(jìn)行；

· 熔積成型的打印機(jī)只能打印出塑料成品，而且成品的硬度有限，只有粉末粘接和激光燒結(jié)能打印出陶瓷、金屬等真正具有工業(yè)用途的用品；

· 精度和速度的矛盾：薄層堆疊的薄層越薄，所需的層數(shù)和時(shí)間就越長(zhǎng)，只能通過多噴頭同時(shí)工作等方式提高速度。