從零開始3D打?。ㄉ希?/h1>
2020-07-23 16:42:19
學(xué)苑創(chuàng)造·C版 2020年8期
聽說，有些大神只用一臺3D打印機，就能創(chuàng)造世界——
3D打印7天“打”出一座樓、防疫用品不夠3D打印來湊、3D打印龜殼拯救受傷烏龜……一則則相關(guān)新聞，讓栗子君深深地感到，再不趕緊掌握3D打印的核心科技，沒準(zhǔn)哪天就要被淘汰了！下面分享一些栗子君辛苦收集到的干貨，可隨意拿走，不謝。
理論篇
核心原理
傳統(tǒng)的機械加工工藝，不管是切、削、鉆、刨，還是銑和磨，對于材料做的都是“減”法，即去掉部分材料來使物體成形。3D打印則不然，做的是“加”法——通過逐層添加材料來制成三維物體。故“分層制造，逐層疊加”，就是3D打印的核心原理。
工作過程
工作原理決定了工作過程。3D打印的過程一般可分為這么幾步。
1.用計算機輔助設(shè)計（CAD）或計算機動畫建模軟件等建模，并將建成的三維模型“切片”、分層，形成一層一層的橫截面，再通過網(wǎng)絡(luò)、U盤或本地連接等將文件發(fā)給3D打印機。
設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式通常為STL。STL文件使用三角面來模擬物體的表面，三角面越小，其生成的表面分辨率越高。
2. 3D打印機用液體狀，或粉狀、片狀、線狀的耗材，將“切”好的橫截面逐層打印出來，并用各種方式加以黏合，形成想要的形體。
3D打印打出的截面，厚度通常以微米來計算，一般厚度為100微米，即0.1毫米，有些打印機甚至能打出僅16微米厚的一層。至于平面方向的分辨率，則可做到近似平面激光打印機的精度，“墨水滴”直徑只有50至100微米。
3.取出打成的物件，進(jìn)一步處理。
3D打印機的分辨率對于大多數(shù)應(yīng)用來說很夠用了，不過彎曲的表面可能會比較粗糙，就像清晰度不夠的圖像上有鋸齒一樣，想要得到更高的“分辨率”或消除鋸齒，就需要對成件進(jìn)行再加工?？梢韵扔?D打印機打出略大一點的物品，再打磨打磨表面，即可得到輪廓清晰漂亮的“高分辨率”物品。
此外，有些物品在打印過程中會用到支撐物，故成件也要仔細(xì)加工，將支撐物清除干凈。
成型工藝
按照不同的成型機理，3D打印工藝又可分成很多種類。不同的工藝各有優(yōu)缺點，對材料和設(shè)備的要求也不同。目前技術(shù)較成熟、應(yīng)用較普遍的工藝主要有5種。
1. FDM：熔融沉積成型。
FDM應(yīng)用廣泛，成型原理相對簡單：用高溫將線狀的耗材融化成液態(tài)，由噴頭擠出來后冷卻固化;如此循環(huán)往復(fù)，一層層地堆積成型。
FDM可用的打印材料種類很多，工業(yè)上用的主要是絲狀、線狀的熱熔塑料;桌面化的FDM打印機則有更多選擇，連尼龍、木頭、某些金屬，甚至食材，都可拿來打印。
FDM的優(yōu)點為成型精度高、成件硬度好、顏色多樣、成本低，缺點為物品表面粗糙。
2. SLA：立體光固化成型。
顧名思義，這種技術(shù)是通過激光來使液態(tài)的光敏材料（一般為光敏樹脂）變硬固化，形成造型。
SLA成型速度快，精度較高，成件表面光潔，但缺點在于打印材料不那么大眾化。
3. SLS：選擇性激光燒結(jié)。
跟SLA一樣，SLS技術(shù)也要用到激光，但不同之處在于SLS是利用激光的高溫，將粉末狀的耗材燒結(jié)在一起。
SLS用到的耗材主要有金屬粉末、陶瓷粉末等，其優(yōu)勢在于制造強度較高的金屬制品。
4. 3DP：三維粉末粘接。
3DP可說是真正的3D“打印”，因為這種技術(shù)跟平面打印非常相似，連噴頭都直接用平面打印機的。而且跟平面打印使用墨粉一樣，3DP用的也是粉末材料。
但跟SLS的高溫?zé)Y(jié)不同，3DP是使用粘接劑（如硅膠）來粘接粉末。打印時，3DP打印機的儲粉缸會先鋪出一層約0.1毫米厚的材料粉末，然后噴頭按照設(shè)計好的切片形狀將粘接劑噴在粉末上;重復(fù)以上過程，直到最后成型。當(dāng)然，這樣造出來的物品強度較低，需要再處理來提高強度，具體做法是先燒掉粘接劑，然后在高溫下滲入金屬，使物品致密化。
3DP設(shè)備和材料成本較低，可采用多個噴頭，適合打印小件物品;缺點是物品表面不夠光潔。
5. LOM：分層實體制造。
LOM使用薄膜材料，如紙、金屬膜、塑料薄膜等，工作方式也比較特別：將分層物體的輪廓印在薄膜上，切下，再一層一層粘合。
LOM成型速度快，適用于較大型的物件;缺點是對復(fù)雜物件有點力不從心。
3D打印機一般由控制板和噴頭（也叫熱頭）、熱床、絲桿、步進(jìn)電機等部件組成。
控制板就相當(dāng)于3D打印機的“大腦”，用于處理信息和給步進(jìn)電機發(fā)送指令。
噴頭又由加熱器、噴嘴、步進(jìn)電機和風(fēng)扇組成。加熱器加熱噴嘴;步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動把耗材擠出到噴嘴上，再由噴嘴把融化的耗材粘在熱床或上一層材料上;風(fēng)扇則用于給步進(jìn)電機散熱。
熱床主要用于加熱材料，把材料粘在其上，防止翹邊。
噴頭和熱床都固定在絲桿的滑塊上，絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊就會在一定方向上移動，帶動噴頭和熱床一起動了。
噴頭和絲桿都要用到步進(jìn)電機，它給噴嘴供料，或帶動絲桿轉(zhuǎn)動。
（入門熱身完畢，更多干貨將在下期等你）
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理論篇
核心原理
傳統(tǒng)的機械加工工藝，不管是切、削、鉆、刨，還是銑和磨，對于材料做的都是“減”法，即去掉部分材料來使物體成形。3D打印則不然，做的是“加”法——通過逐層添加材料來制成三維物體。故“分層制造，逐層疊加”，就是3D打印的核心原理。
工作過程
工作原理決定了工作過程。3D打印的過程一般可分為這么幾步。
1.用計算機輔助設(shè)計（CAD）或計算機動畫建模軟件等建模，并將建成的三維模型“切片”、分層，形成一層一層的橫截面，再通過網(wǎng)絡(luò)、U盤或本地連接等將文件發(fā)給3D打印機。
設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式通常為STL。STL文件使用三角面來模擬物體的表面，三角面越小，其生成的表面分辨率越高。
2. 3D打印機用液體狀，或粉狀、片狀、線狀的耗材，將“切”好的橫截面逐層打印出來，并用各種方式加以黏合，形成想要的形體。
3D打印打出的截面，厚度通常以微米來計算，一般厚度為100微米，即0.1毫米，有些打印機甚至能打出僅16微米厚的一層。至于平面方向的分辨率，則可做到近似平面激光打印機的精度，“墨水滴”直徑只有50至100微米。
3.取出打成的物件，進(jìn)一步處理。
3D打印機的分辨率對于大多數(shù)應(yīng)用來說很夠用了，不過彎曲的表面可能會比較粗糙，就像清晰度不夠的圖像上有鋸齒一樣，想要得到更高的“分辨率”或消除鋸齒，就需要對成件進(jìn)行再加工?？梢韵扔?D打印機打出略大一點的物品，再打磨打磨表面，即可得到輪廓清晰漂亮的“高分辨率”物品。
此外，有些物品在打印過程中會用到支撐物，故成件也要仔細(xì)加工，將支撐物清除干凈。
成型工藝
按照不同的成型機理，3D打印工藝又可分成很多種類。不同的工藝各有優(yōu)缺點，對材料和設(shè)備的要求也不同。目前技術(shù)較成熟、應(yīng)用較普遍的工藝主要有5種。
1. FDM：熔融沉積成型。
FDM應(yīng)用廣泛，成型原理相對簡單：用高溫將線狀的耗材融化成液態(tài)，由噴頭擠出來后冷卻固化;如此循環(huán)往復(fù)，一層層地堆積成型。
FDM可用的打印材料種類很多，工業(yè)上用的主要是絲狀、線狀的熱熔塑料;桌面化的FDM打印機則有更多選擇，連尼龍、木頭、某些金屬，甚至食材，都可拿來打印。
FDM的優(yōu)點為成型精度高、成件硬度好、顏色多樣、成本低，缺點為物品表面粗糙。
2. SLA：立體光固化成型。
顧名思義，這種技術(shù)是通過激光來使液態(tài)的光敏材料（一般為光敏樹脂）變硬固化，形成造型。
SLA成型速度快，精度較高，成件表面光潔，但缺點在于打印材料不那么大眾化。
3. SLS：選擇性激光燒結(jié)。
跟SLA一樣，SLS技術(shù)也要用到激光，但不同之處在于SLS是利用激光的高溫，將粉末狀的耗材燒結(jié)在一起。
SLS用到的耗材主要有金屬粉末、陶瓷粉末等，其優(yōu)勢在于制造強度較高的金屬制品。
4. 3DP：三維粉末粘接。
3DP可說是真正的3D“打印”，因為這種技術(shù)跟平面打印非常相似，連噴頭都直接用平面打印機的。而且跟平面打印使用墨粉一樣，3DP用的也是粉末材料。
但跟SLS的高溫?zé)Y(jié)不同，3DP是使用粘接劑（如硅膠）來粘接粉末。打印時，3DP打印機的儲粉缸會先鋪出一層約0.1毫米厚的材料粉末，然后噴頭按照設(shè)計好的切片形狀將粘接劑噴在粉末上;重復(fù)以上過程，直到最后成型。當(dāng)然，這樣造出來的物品強度較低，需要再處理來提高強度，具體做法是先燒掉粘接劑，然后在高溫下滲入金屬，使物品致密化。
3DP設(shè)備和材料成本較低，可采用多個噴頭，適合打印小件物品;缺點是物品表面不夠光潔。
5. LOM：分層實體制造。
LOM使用薄膜材料，如紙、金屬膜、塑料薄膜等，工作方式也比較特別：將分層物體的輪廓印在薄膜上，切下，再一層一層粘合。
LOM成型速度快，適用于較大型的物件;缺點是對復(fù)雜物件有點力不從心。
3D打印機一般由控制板和噴頭（也叫熱頭）、熱床、絲桿、步進(jìn)電機等部件組成。
控制板就相當(dāng)于3D打印機的“大腦”，用于處理信息和給步進(jìn)電機發(fā)送指令。
噴頭又由加熱器、噴嘴、步進(jìn)電機和風(fēng)扇組成。加熱器加熱噴嘴;步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動把耗材擠出到噴嘴上，再由噴嘴把融化的耗材粘在熱床或上一層材料上;風(fēng)扇則用于給步進(jìn)電機散熱。
熱床主要用于加熱材料，把材料粘在其上，防止翹邊。
噴頭和熱床都固定在絲桿的滑塊上，絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊就會在一定方向上移動，帶動噴頭和熱床一起動了。
噴頭和絲桿都要用到步進(jìn)電機，它給噴嘴供料，或帶動絲桿轉(zhuǎn)動。
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