# 什么是3D打印

今天，3D打印技术已被成功应用到航空航天、汽车制造、工业设计、教育教学、文化创意等诸多领域。3D打印是典型的“增材制造”，与传统的减材制造（从胚料上切削去除多余材料）不同，3D打印是通过逐层堆积制造出实体物品的。传统的减材制造在加工复杂造型时，需要多种加工方式配合比较费时费力，如果想要通过机床加工出复杂形状需要用到车、铣、镗等机加工方式，即便是用数控技术（CNC加工中心），也需要多次更换刀具才能完成。 而3D打印则能以较低的成本实现复杂造型，一次便可打印完成。

#3D打印类型

熔融堆积成型（FDM）：FDM就是把融化的材料逐层堆积的打印方式，在打印时，设备将丝状原料加热融化通过喷头将材料选择性地堆积在平台上，冷却后便形成了一层截面。打印完一层截面后再打印下一层截面，直至形成整个实体。

这种3D打印方式是最常见的，可以打印PLA（聚乳酸，是主流的可降解塑料之一）、TPU（TPU作为热塑性弹性体的一种常见类别，目前已经实现批量化生产鞋中底、鞋面等工业应用）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，为浅黄色或乳白色的粒料非结晶性树脂，是使用最广泛的通用塑料之一）等热塑性材料。

FDM的打印方式，设备和耗材的价格较低，根据能加工的尺寸、精度和速度的不同，机器本身的价格从几百到上万元都有，耗材的价格在50-100元每千克不等。

光固化成型：耗材是光敏树脂，在特定波长的光（例如紫外光）的照射下，光敏树脂会发生一系列复杂的物理和化学变化，从粘稠的液体固化成固体，光固化从诞生到现在已经发展了好几代，根据光源类型和照射方式的不同可以分为SLA、DLP和LCD三类。

以SLA为例，液槽内装有液态的光敏树脂原料，打印开始时，打印平台处于液面下，工作时通过透镜聚焦激光束在打印平台上投射出光斑并沿着预定路径进行扫描，扫描区域的树脂固化，每完成一层平台就向上抬升一点之后继续扫描下一层直至形成整个实体。

DLP则是一次直接把一整个面的造型投射到打印平台上属于面成型一次直接打印一整层，因此速度比SLA快很多。DLP在投影仪领域也有比较广泛的应用，与投影仪类似，DLP光固化成型的精度和打印尺寸有关。

（注：DLP技术：光源通过色轮产生不同颜色的光线，DMD芯片上有无数个小镜子，每个小镜子会转动方向，芯片会根据需要显示的像素和颜色，来转动小镜子，把需要显示的像素和颜色反射到投影机的光学镜头，不需要显示的小镜子则转到另一个角度，最后通过镜头打到被投射的物体上。

DLP在这里是这种投影方式的名称，它是一个投影机的整体解决方案，DMD是显示器件，你可以理解为一个芯片，在DLP系统中，除了DMD这个显示器件，它还需要配套的控制芯片，这些配套芯片分工合作）

LCD则是使用液晶屏进行打印的光固化成型方案，与DLP同为面成型，优点是打印速度快，精度则和屏幕分辨率有关，缺点是液晶屏的寿命比较短，通常打印几千小时就需要更换屏幕，屏幕也算耗材，而DLP和SLA的寿命则要长得多。

光固化的机器在价格上比热固化的机器贵许多。由于光固化的层高很低，打印精度很高，打印出来的产品表面光滑细节丰富甚至可以用来做手办，DLP和LCD的整面成型更是在成型速度上具有非常明显的优势。缺点是光敏树脂这种耗材本身有刺激性气味和微毒性，室内需要做好通风处理。

耗材强度和耐热性能与FDM常用的PLA和ABS相比有一定差距，价格要高出不少，1KG的光敏树脂往往要200元以上，此外光固化打印的产品需要用酒精等有机溶剂清洗表面残留的树脂，清洗机的价格也比较贵，当然现在有了更方便的水洗树脂，可以直接用水清洗，会方便不少。清洗完成之后还需要拆除支撑再放到二次固化机内再次用紫外光照射表面进行二次固化，处理起来很是麻烦，这些特性在很大程度上阻碍了光固化的推广，使得光固化远不如FDM大众化。

粉末成型：主要代表是SLS和SLM。

SLS是在加热的平台上铺一层粉末，然后通过激光束对粉末进行烧结使之结合在一起，完成一层后再铺覆一层粉末进行下一层烧结，直至形成整个实体。

SLM的原理与SLS比较类似区别在于SLS需要添加额外的粘结剂，如低熔点金属或树脂，而SLM则是通过直接完全熔融材料粉末进行成型，因此不需要额外添加粘结剂；此外二者在光源的选择上也有区别。粉末烧结技术的优点是打印精度高，可以打印金属和陶瓷等材料，缺点是成本十分高昂，在打印大尺寸零件时容易发生翘曲，工作时异味较大等。

需要注意的是这些特点也不是绝对的，比如FDM打印机也有高速打印的型号存在，一般对于普通创作者来说，FDM打印机会是比较理想的选择，毕竟设备便宜，产品和耗材容易保存，工作时不会造成严重的空气污染，只要不放在卧室，关上门噪音也能接受，而光固化无论是前期的准备还是后期的处理都非常麻烦，更适合那些对精度要求高，愿意折腾的用户，如果一定要购买光固化打印机，那么SLA和DLP它们价格太贵，LCD是适合大多数人的最优选择。

# 第一步：建模

建模是一个很直观很容易理解的名词，就是通过某种方式制作一个最终需要打印物体的3D数字模型。建模有专门的软件：

比如艺术设计类的建模软件有：Rhino（犀牛）、ZBrush、3DsMAX等等；

3D动画类的设计软件有MAYA、BLeder等等；

工业类的建模软件有SolidWorks、Pro/E UG等等，

艺术类建模软件和工业类建模软件的建模思路差异还是非常大的，这就像画画和画图纸的区别，画画可以随心所欲怎么好看怎么画更重要的是艺术性和审美，但画图纸就完全不一样，每根线多长，线与线之间的夹角是多少，两个平行线的距离是多少，都是需要精确的定义的，所以艺术类的建模软件更适合用来设计人体、动物、花草树木这种尺寸要求不高，但艺术审美要求较高的物体，而工业建模软件更适合用来设计零件、电子产品、工业品等这类尺寸要求比较高的物体。

重点来了，请记住不管用哪个建模软件，我们最终要得到的交付物是一样的，就是一个STL格式的文件，这个文件记录了3D模型的三维空间数据，3D打印的后续操作呢都要基于STL文件进行，所以不管使用什么3D软件，最终的目标就是导出模型的STL格式文件，几乎所有的建模软件都支持STL文件的导出，这一点不用担心，到这里你可能想到最终需要的就是这个STL文件，所以即便你不会使用3D建模软件，只要通过各种渠道获得你想打印物体的stl文件就行，目前最常见的方法就是在STL分享的网站上直接来下载。

不管通过何种方法，只要得到了这个STL文件那第一步就算完成了。

#切片

切片是进行3D打印的第二步，也是最不容易理解的一步，其实切片操作的本质是将STL文件转换成3D打印机能够理解的文件格式，为了更好的理解切片过程呢，咱们不妨先来看看3D打印机硬件的工作原理：

这里我们使用最常见最普及的传统3D打印机来举例，传统的3D打印机也是一种数控系统，核心控制板同时控制着3个步进电机的转动来精准的移动材料挤出头到允许空间内的任意位置，两个电机用来在x、y轴方向移动挤出头，一个电机用来在z轴移动打印平台，因为我们一般将打印平台视为原点所以可以理解为挤出头相对于打印平台在z轴移动了。大部分3D打印机都是这种比较经典的三轴移动结构；

其实还有很多其他各种结构，比如下图这款打印机的平台固定，挤出头可以自由在x、y、z轴移动

不管什么结构的3D打印机，最终只要保证挤出头相对于打印平台在x、y、z三个轴能自由移动即可。

由于控制器可以精确的控制步进电机的转动角度，再通过丝杆旋转传动，挤出头可以获得非常高的空间位移精度

注：（丝杆机构的原理就是利用外部驱动螺母与螺杆上的螺纹相啮合实现螺杆旋转运动与螺母直线运动的转化，螺纹间的角度越小，整个机构的精度越高，而通常采用了丝杆机构的步进电机也被称为丝杆步进电机，其优势在于不需要再安装其他外部机械联动装置也能使用步进电机进行精密的线性运动，运动速度也可以直接与步进电机的脉冲量成正比，同时能利用脉冲量来进行自锁等）

除了控制空间移动的三个步进电机外呢，打印机挤出头还有一个步进电机用来精准地控制打印材料的挤出量

精确的控制这四个步进电机的工作状态呢就是3D打印机最核心的工作原理。

实际工作时，3D打印机是将打印目标一层一层的打印出来，所以大部分时间挤出头是在x轴y轴运动的，当打完一层以后，z轴移动一个层高，然后开始打印第二层。

那么切片是干什么的呢？没错，其实切片就是告诉3D打印机目标模型总共要打印多少层，每一层应该如何打印，这个过程本质上其实是3D打印机执行G代码的过程，这个所谓的G代码是一组指令集合，每一个指令都对应了一个具体的操作

比如下面这行G代码指令，意思就是将挤出头以每分钟9000毫米的速度移动到x轴70.699，y轴72.424，z轴0.300这个位置

G代码的命令有很多这里不做过多的解释，有兴趣的朋友可以进一步查阅资料，下面给大家列出一些常用的指令：

总之，3D打印机的工作过程其实就是执行一行又一行G代码命令的过程，那切片这个步骤要做的事情就是将STL文件转化为G代码文件，具体操作就比较简单了一般买回来的3D打印机会自带配套的切片软件比如买创想三维会带一个u盘，u盘里就会给你附带一个的Creality Print切片软件，或者你也可以用Cura这个软件来完成切片操作。

#打印

当打印机和耗材准备好，我们只需要通过sd卡，u盘，网线，局域网，数据线等各种各样打印机支持的方式将G代码传输到打印机，然后操作打印机开始工作就行了。