一文看懂3D打印到底是个什么鬼

　　

　　3D打印可以将电脑里的3D建模文件变成实物，打印过程无需干预而且精度远超手工制作，听起来和用起来都相当炫酷。虽然它火了很久，但在大众面前它们还很神秘。考虑到很多人其实用不着，但又有剁手的冲动，那就是来一发科普好了。

　　本文将从“原理、分类、软件和核心部件、打印过程、精度、可用度”等几方面对3D打印和3D扫描进行简单的科普和扫盲。

　　原理与技术优势

　　3D打印是一种通过堆叠薄层制造三维物体的技术。它的关键词是薄层堆叠，通过不同原理让原料一层层地成型和堆叠。

　　虽然听起来高大上，但大概原理只是一个能在XY轴平面上移动的喷头，精确控制原料的位置，打完一层后，平台下移（一般是0.1mm）后再打下一层，直至打印出整个成品。

　　对比铣床（通过铣刀对材料从外到内进行切削）、熔铸（融化后倒入模具成型）等传统加工方式，3D打印的最大优势是可以制造有复杂内部空间的成品，而且材料利用率接近100%。

　　3D打印的类型

　　

　　3D打印原理分类及优缺点

　　

　　打印精度对比

　　根据原料成型原理的不同，成本从低到高排列，分别是熔积成型、光敏固化、粉末粘接、激光烧结等4种，它们的工作原理如下：

　　˙熔融沉积成型（FDM，全称Fused DeposiTIon Modeling），喷头将丝状热熔性材料加热融化挤喷出来，材料遇到温度更低的打印平台后凝固，通过层层堆积形成最终成品。

　　˙光固化成型（SLA，全称Stereolithigraphy Apparatus）通过紫外光等光源照射光敏树脂材料，让其逐层凝固成型，通过层层堆积形成最终成品完整的产品。其是最早发展起来、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术。

　　˙粉末粘接（3DP，全称Three Dimensional PrinTIng and Gluing）通过喷嘴将粘合剂喷喷洒在陶瓷/金属/塑料粉末等材料上，不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加而得到成品。

　　˙激光烧结 （SLS，全称SelecTIng Laser Sintering）类似上两种技术的混合体，通过大功率激光照射金属粉末等原料，使其烧结/融接。不断重复铺粉、烧结的过程直至完成整个模型成型。它才是工业上经常提到的3D打印。

　　成本最高的激光烧结和粉末粘接技术中，一个桌面机型极少，一个连桌面级产品都还没出现。而采用光固化技术的机型，价格一般从20000元起跳，所以现时民用级3D打印技术，用的基本都是成本最低的熔积成型技术，很多厂家甚至已经可以把售价控制在2000元左右。所以剁手门槛最低的它们才是本篇科普的主角。

　　控制软件

　　除了核心的机械部件，打印机还需要最终控制打印头移动的3D建模文件才能工作。虽然打印机基本都带显示屏和控制按钮，但打印所需的3D建模文件依旧需要电脑的帮忙。中高端产品一般可以连接电脑并有专门的客户端，而低端产品一般省略连接功能，只能通过读取SD卡中的文件进行打印。

　　3D打印只能读取经过切层处理的3D建模文件（约等于将3D数字模型做了N层片），可以通过3Dmax、CAD、MAYA等建模软件输出的.stl .3w格式文件进行直接转换。

　　很多厂家网站的素材库、建模网站都能找到现成的3D建模文件，有软件基础的用户可以自行建模。入门用户最喜闻乐见的除了手办外，自然还是手机壳，挂饰等小玩意。

　　核心部件说明

　　3D打印的关键词是薄层堆叠，对于熔积成型技术的3D打印机来说，可以在二维平面移动的打印头负责“薄层”，可以上下移动的平台负责“堆叠”。其核心部件不多，以刚评测完的三纬da Vinci 1.0 AiO为例。

　　

　　打印头是个可以在XY轨道上精确移动的加热装置，可以加热融化ABS/PLA材料，内部有压入原料丝的齿轮，背后有散热风扇。机器通过皮带传动，打印头可以在X轴上左右移动，而打印头和整个X轴都架在了Y轴上。

　　打印平台是个带加热功能，可以精确控制上下移动的玻璃板，最高加热温度为90度（防止落到平台的ABS原料因温度太低而无法粘连），动力来源是底部的马达。平台边上一般会有校准位置用的定位点，以及调整平台水平姿态（前倾后延等）的螺丝。

　　原料

　　原料方面，主流将ABS树脂和PLA（生物降解塑料聚乳酸）材料，做成固定直径的线材（1.75mm）并捆在线筒上，价格一般在200元/1kg左右。部分厂家会采用盒子封装，并在底部加上芯片，提供原料类型和剩余量记录功能，用起来会方便一点，而代价自然是成本会更高一些。

　　两种材料都可以被染上不同的颜色，它们的使用区别在熔点上，ABS熔点为220度左右，不透明亚光质感，强度更高，需要平台被加热到90度才能正常成型，但有毒性，使用时会有塑料烧焦的臭味，而且本身热收缩性较大，成品精度会低一点

　　PLA熔点在200度左右，加工时的能耗更低，速度更快，其半透明质感更加光亮，平台加热到45就能正常成型，无毒环保几乎无异味，正在慢慢淘汰ABS成为主要的打印原料。

　　打印过程与维护

　　打印前要在平台上涂上固体胶，其作用是作为隔层，方便最后的成品移除。打印第一步是加热打印头和平台，耗时因机器功率而异，500W以下的机器一般可以在1-2分钟内完成打印头的加温，但平台却要5-6分钟左右才能从常温升到90度。

　　

　　随后，打印平台升到最高点就可以开始打印了，过程就是啰嗦过多次的：线状的打印原料在打印头中被加热融化，以流体的状态流出，在接触打印平台后硬化粘连。打印头的移动轨迹会被这些原料“记录”下来，打完一层后，平台下移，机器再打第二层，直至把整个物体打印出来。

　　原料可以被染色，但熔积成型打印机只能通过中途变换原料的方式，打印出纯色或横向颜色变化的物体。所以一般是把成品不同颜色的部分分开打印，最后像模型一样再组装起来。

　　工作过程中只有XYZ轴3个电机，以及打印头的散热风扇的声音，噪音不大。但如果用的是ABS树脂，则还需要做额外的通风措施。

　　桌面打印机一般拆封就能直接使用，但如果使用时间太长、成品和平台总是粘连过紧而需动用铁铲和暴力，则需要自行对打印平台进行调平。否则可能会影响成型质量，严重的话，可能会让打印头和平台碰撞而产生变形。另外，用久了的打印头也是相当脏的，偶尔还要用铁丝给材料出口“通便”。

　　扫描功能

　　现在某些高端型号的入门机开始具备3D扫描功能，可以对实物进行扫描并生成3D建模文件，通过这个文件就可以再复制一个同样的产品。

　　而3D扫描分为接触和非接触式，前者是用传统的测量点接触物体搜集空间信息，精度和成本都很高，而且速度奇慢；后者主要使用激光、低频声波等进行间接扫描，速度快但精度一般，一般需要多次扫描进行数据校正。

　　

　　3D扫描过程

　　

　　扫描文件

　　现时打印机中内置的一般是激光扫描装置。被扫描物体放在可旋转的平台上，扫描器发出激光平面打在扫描物体上，接收器根据反射回来光线计算除物体的空间点数据。

　　不过遗憾的是，即使是万元级打印机自带的扫描功能，基本都处在不可用的状态。扫描功能的限制很多，会让光线散射不正常的物质特性，几乎都会影响扫描效果，物体高度太低、颜色太深、颜色种类太多、表面太光滑、凹坑太复杂、内部深度太大等都会影响最终效果。

　　用它来扫描简单的几何体当然不成问题，但想用它来扫描复杂的手办，甚至高达模型之类的话，那就基本无望了……

　　另外，多增加3D扫描功能的机型，一般会比原生机型贵3、4000元，这装逼成本太高，故并不建议购买带3D扫描功能的衍生型号。

　　打印速度&打印精度

　　终于说到3D打印机最核心的部分了。3D打印的速度远比正常人想象中的慢，不过也很好理解：每一层的打印厚度在0.1-0.4mm（挤出的是0.1mm宽的原料丝），那打印1cm高的产品就得打印超过25-100层了……

　　其打印耗时和打印精度/层厚成正比，而且因为原料出丝速度固定，它们的打印耗时很容易计算。作为参考，以精度（层厚）0.3mm的时候，打印一个4克重的空心表壳就需要30分钟了。如果打印的是一个手掌大的手办，而且它还有100多克重的话，打印耗时就要突破12小时了囧。

　　实际打印样品

　　打印精度方面，很多人都以为3D打印机的成品可以作为最终产品，但这只针对光固化成型的打印机，其余3种打印机的产品更像是毛坯，如果对外形和精度要求高的话，成品本身还是经过再次打磨。

　　而更可悲的是，成本最低的熔积成型打印机，在每一层之间有明显的接合痕迹，俗称“台阶效应”，导致其表面相当粗糙。看到入门级熔积成型打印机的作品之后，或许很多用户都会有一定的心理落差。

　　实际可用度&限制

　　虽然3D打印的薄层堆叠原理，可以应对很多复杂的内部结构，但这个也带来了相应的限制：

　　横向强度不足：无论是哪种原理的打印机，它们都是纵向的薄层堆叠，所以横向强度会远低于纵向；

　　下小上大的物体需要额外的支撑机构：受重力影响，3D打印也不可能打印出悬空的物体，故需要在悬空物体下方额外打印支架或框架；

　　要打印出多种颜色的产品，只能中途变换原料或分开打印的形式进行；

　　熔积成型的打印机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烧结能打印出陶瓷、金属等真正具有工业用途的用品；

　　精度和速度的矛盾：薄层堆叠的薄层越薄，所需的层数和时间就越长，只能通过多喷头同时工作等方式提高速度。

　　总结

　　3D打印机还是个新兴产品，虽然熔积成型打印机原理相对简单，但不同品牌和产品线之间的水较深，购买前需要对常用参数有简单的了解。对于熔积成型打印机，其实可以选的余地不多，万元以下基本都是单打印头设计，同时支持ABS和PLA原料。

　　打印尺寸，尺寸越大自然价格越高，而万元级打印机的打印尺寸一般在20*20*20cm以下；而精度上，万元以下的3D打印机基本都可达到0.1mm层厚，打印速度（出丝速度）在0.2-0.5mm/s之间。