3D打印工作原理

1、3D打印工作原理及操作步驟3D打印機正如其名，是一種能夠打印出 3D實體的機器。如我們 普通的打印機一樣，能夠在紙面上打印出任意形狀的畫面。理想的 3D打印機能夠在3維空間中打印出任意形狀的實體模型，能夠不受 結構工藝限制，直接將零件的3維數據資料打印成實體零件。這樣一 個機器，對于機械設計者而言是一個不折不扣的神器。在傳統(tǒng)的機械設計程序上，一個零件需要由設計者設計完成，并 繪制好2維圖紙（通常是3視圖的形式，并且有些細節(jié)部位還需要追 加詳細圖）,然后把這個零件的圖紙交給機械工藝師， 機械工藝師會根 據你的零件圖紙排列加工制造工序，再然后工人會按照機械工藝師設 計安排的工序來制造零件.通常這個

2、流程還不能一次性完成。機械設 計者設計的零件可能會有部分結構不容易加工制造，機械工藝師會將 信息反饋給機械設計師，機械設計師再修改圖紙。而一旦有了3D打印機，整個流程就簡化了。設計者設計完成零件后，就可以直接制造。 不需要繪制3視圖，不需要細節(jié)描述的詳細圖，不需要工藝師的編排 工序，不需要工人加班，而且極少有結構工藝限制，只需要3維數據。簡單的說，3D打印機的出現(xiàn)，讓電子數據與看得見摸的著的零件 更緊密結合了。能極大的提高設計效率。目前市場上已經出現(xiàn)普通市 民能夠購買的家用3D打印機。這些3D打印機通常都是熔融沉積式 （FDM白3D打印機。我這篇文章也準備對我使用了半年多的這類打 印機做一個總

3、結。本文分為兩個部分，第一部分將為簡要介紹 FD帆3D打印機的 工作原理，第二部分介紹打印機的硬件和軟件操作 .第一部分：FD賦3D打印機原理簡介任彳3維物體都可以看成是由一個個面堆疊累積而成的。 就像寶 塔一樣，是由一層一層的樓堆起來的。比如說，一個球形物體，就可 以看成是由一個個厚度很小直徑不同的圓柱堆在一起形成的。對于任何一個物體，都可以看成是由一個個厚度很小的菱形物體堆起來的。 如果引用數學中的概念，那么就是，當這些菱形的厚度趨近于無窮小 的時候，這個堆砌起來的實體與目標實體就是完全一致的.遺憾的是, 現(xiàn)實中任何物體都是有厚度的?？墒俏覀兛梢园堰@個厚度做到很小， 小到我們能容忍的誤差以

4、下，就夠了。FD帆的3D打印機就是利用這個原理，將任意一個三維數據實 體，切割成一個個面來分析。那么理論上只要這臺打印機能夠實現(xiàn)打 印出任意形狀的面，它就可以打印出任意形狀的物體了 （不考慮重力 對結構的限制因素）。所以FD帆的3D打印機有一個噴嘴，它能夠穩(wěn)定連續(xù)的噴出直 徑一定的塑料（或者其他熱融性的材料）.這個噴嘴一般由步進電機 來控制移動。就像我們捏牙膏一樣，我們一邊用力捏牙膏，一邊移動 牙膏，就可以把牙膏在牙刷上涂一條直線出來.3D打印機的原理就和我們捏牙膏是一模一樣的，只是它的運動由 3D實體數據來控制，而 且噴出來的材料是穩(wěn)定的，它一邊噴一邊按照特定的方式移動。這樣 它就可以打印出

5、特定的形狀來了。等熱融性的材料冷卻下來，這個實體就定形了.那么我們怎么從手頭一無所有，到打印出一個實體呢？世界上3d設計軟件千奇百怪，我們怎么把自己設計的3維實體做成能夠被打印 機應用的數據呢？這里一定要感謝世界上的開源組織和標準化組織 （通常是行業(yè)的 龍頭老大）。是他們讓我們雖然使用不同的軟件，但是我們仍然可以 用同樣的數據來交流。所有的3D模型都可以導出同樣格式的數據， 比如說stl , x_t,step等等格式。還有控制機床運動的加工語言：G 語言。因為這些標準的存在，讓我們整個流程可以走得更順暢。從技術實現(xiàn)角度來看，要實現(xiàn)FD幀3D打印機，就只需要實現(xiàn)以下三 個技術：1、能夠將3維數據

6、格式（如：stl,x_t , step ）解析成機械加工 的G語言。正如前文所說，這一個步驟實質上就是生成“捏牙膏的方 法”。在這個步驟里，3維數據被解析成一層層面，面被解析成一條 條線。線被解析成一條條的G代碼。這里的解析方法可以有開源社區(qū) 提供。比較出名的有replicatorg 項目。這里也稍微簡介一下G代碼：G代碼是用來控制機械加工刀具（噴 嘴）運動的代碼。比如說，讓刀具（噴嘴）從當前這個點以最快速方 法運動到（0,0, 10）這個坐標點.其代碼就是G90G00 X0 Y0Z10這 條代碼中，G90表示后面的坐標使用絕對坐標格式，G00表示快速移動操作,X0表示目的坐標的X軸坐標為0,

7、 Y0表示目的坐標的Y軸坐 標為0, Z10表示目的坐標的Z軸坐標為10。當然G代碼不僅僅只有 這一條指令.這里只是舉個例子來說明 G代碼的功能.2、能夠解析G代碼的機器.通過第1個技術手段，我們有G代碼。 接下來就需要一臺能夠“讀懂” G代碼的機器。要實現(xiàn)G代碼的機器， 技術關鍵在插補算法.所謂的插補算法實際上就是讓刀具能夠精確的 按照指令走。為了說明插補算法的功能，這里再介紹一條簡單的G代 碼：G90G01 X10 Y10 Z10 F100。這條代碼中，G90表示采用絕對坐 標格式，G01表示直線運動，X0Y0Z10BS示目的坐標為（10, 10, 10）,F100表示移動速度為100個單

8、位每分鐘（單位可通過 G20/G21 指令來設置成毫米/英寸）。要控制刀具（噴嘴）走直線就和簡單的 控制刀具移動到目的地不一樣的了。 它不僅僅要控制結果，還要控制 過程。它需要刀具（噴嘴）在三個坐標軸上的速度的合速度能夠一直 在指定的直線上。當然更復雜一點的，還要求插補算法能夠實現(xiàn)G語 言的G02 G03指令。這兩條指令是控制刀具（噴嘴）畫（逆時針 / 順時針）圓。簡單的說，需要有臺機器，能夠嚴格的實現(xiàn) G代碼的指令.能夠讀了 G代碼后，再控制電機（通常是步進電機）來實現(xiàn)刀具（噴嘴）的 運動。3、能夠穩(wěn)定噴材料的噴嘴。事實上，這是從物理上實現(xiàn)3D打印 的關鍵技術.市場上常見的噴嘴是由帶尖的金屬

9、噴嘴，熱傳感器，加熱 電阻和一個步進電機組成的。加熱電阻和熱傳感器用來控制金屬噴嘴 的溫度。步進電機用來提供材料的進給。噴嘴口的直徑很有講究。它 噴出來的材料直徑直接影響到打印精度（每一層的厚度）。4、介紹到這里，F(xiàn)DM式3D打印機已經差不多了 .它不復雜，實現(xiàn) 上述三個技術，就可以做出一臺3D打印機。但是，這里不得不提出工 程上的一個觀點：做出一個東西和做好一個東西是完全不同的概念。 一個好的機器，一定是集成各種優(yōu)化設計于一體的機器。 它的關鍵結 構都要么是經驗豐富的設計人員總結而設計的，要么是經驗不豐富的 設計人員通過嚴格的計算校和做出來的。 擁有了以上三項技術，或許 你可以制作一臺3D打

10、印機，但不一定能做好一臺3D打印機.第二部分：FD賦3D打印機的硬件和軟件操作任何一臺機器都有它們自己的“脾氣”。 一臺機器對于一個工人 就如一桿槍對于一個士兵一樣。一個優(yōu)秀的狙擊手能做到槍人合一 ， 就是充分的了解了手中這把槍。槍也是機器，雖然這些槍有著同樣的 型號，但是細節(jié)都不會一模一樣的。對于追求精度的狙擊手而言，這 些小細節(jié)都特別重要。同樣，對于 3D打印機這樣追求精度至少應該 在零點幾毫米一下的機器而言，也需要操作它的人注意各種細節(jié)問 題。下面先從3D打印機的硬件說起.1、溫度控制FD帆3D打印機使用的是熱融性材料.那么對于溫度的控制就有 要求。一般，加工平臺和材料噴嘴這兩個地方都需

11、要由加熱電阻和溫 度傳感器來控制溫度。一般采用PID控制算法來獲取更好的溫度控制 性能.部分的3D打印機制造商還允許你通過軟件來修改溫度控制的 PID參數。增加P參數來獲得更短的加熱時間，但是卻增加了溫度調 節(jié)的超調量；提高I參數來消除穩(wěn)態(tài)誤差，增加穩(wěn)定度；增加 D參數 來減少超調量，但是也同時減低了穩(wěn)定度.關于PID算法，這里就不 詳細介紹了。下面重點介紹溫度控制對 3D打印機工作的影響。噴嘴的溫度控制是以融化材料為目的的.這里的溫度不能低，低 溫會使材料不能完全融化，噴出受到阻礙，從而影響機器壽命。過高 的溫度會使材料融解噴出后仍然具有較大的流動性，從而在噴出后無法定型。合適的溫度是根據材

12、料而定的，比如一般PLA材料的最佳溫 度就在190攝氏度左右。位于加熱平臺的加熱控制器也十分重要。 有 些材料在被噴出后，由于極速冷卻，發(fā)生熱脹冷縮的效應.尤其是在鋪 平臺邊沿的部分最明顯，這些位置的材料會應為熱脹冷縮的效應而向 上卷起來.發(fā)生卷邊的現(xiàn)象。為了應對卷邊，工程師們用了 3種方法來 應對它。其中一種，就是對平臺進行溫度控制（剩余兩種后面再一一 介紹）。讓材料在噴出來后不立刻冷卻，這樣就可以減緩卷邊現(xiàn)象。2、工作平臺對于3D打印機而言，除了噴嘴，第二重要的就是工作平臺了 .工作平臺的平面度和高度都是硬性要求。執(zhí)行 3D打印工作時的 第一層平面至關重要.這一層平面必須完整的鋪在工作平臺

13、上.而平 臺的表面必須要與噴嘴在剛剛開始工作時，有一個合適的高度。這個高度太高了會使材料無法正常的粘附在平臺表面。 太低了，就會讓材 料變形。一般3D打印機會有配有傳感器.通過傳感器來調整這個高 度?？墒?，一臺機器在剛剛裝配的時候，這個傳感器的位置可能會發(fā) 生偏移。為了糾正這個可能在裝配機器時發(fā)生的誤差， 我們有兩種方 法來修正它。第一，是從硬件上調整傳感器的位置 .第二，是從軟件 上修改3D打印機的Z軸偏移量.工作臺的平面度如果不好，就會出現(xiàn) 打印工作時無法保證所有地方都有合適高度.通常的3D打印機會有 四個調節(jié)螺絲來調節(jié)工作平臺的水平度.在使用之前必須要做的就是 調節(jié)工作平面讓它水平.但是

14、，如果真是出現(xiàn)了工作臺平面度差，無 法修正，是不是就沒有辦法了呢？平面度好，固然是最好，如果強求不 來，工程師們也想出了應對辦法。這個應對辦法將在后面的軟件部分 介紹.工作平臺的表面材料也十分重要，工作平臺的表面與剛剛被噴出來的材料接觸。這就要求工作臺的表面至少能夠耐住材料溫度 ，同時 它還能粘住材料（因為打印機工作的時候被噴出來的成形的部分可能 會因為噴嘴或者平臺的移動而發(fā)生移動從而導致前功盡棄！）。不僅 如此，由于前面溫度控制提到過的，工作平臺還需要有一定的導熱性。3、步進電機步進電機是驅動部件，一般打印機在出產的時候就會設定好它的 脈沖寬度等等.這些參數基本上能夠保證電機穩(wěn)態(tài)運行時的工作

15、?？?是，這里要著重提到的一點，3D打印機對步進電機的動態(tài)特性也有 硬性要求。噴頭的運動，在很多情況下，需要快速響應。這里簡單提 一下動態(tài)特性。我們從小到大接觸過很多物理運動問題 .這里物理運 動都十分的理想。要么就直接勻速運動，要么就直接加速運動。對于 受力問題，給一個物體施加一個作用力，那么這個物體就立刻受到了 力的作用.事實上，這些東西，在現(xiàn)實生活中都不存在。一個物體要 有一個速度，它都需要有一個速度動態(tài)變化的過程。 一個物體要受到 一個10牛頓的力，在你給與它10牛頓的力后，它也不會立刻就受到 這么大的力.物體的受力也有變化過程，如果你直接用力去推一個物 體，宏觀上首先發(fā)生的事情是你的

16、手掌與物體被壓縮。在被壓縮的過程種，物體受到的力會漸漸的越來越大，到后來還會發(fā)生振蕩。這也 是個動態(tài)的變化過程。那么再回到步進電機的問題，在你給出步進電 機的脈沖頻率后，它不會立刻按照這個頻率來工作，它也會有一個動 態(tài)的變化過程。在控制學上，用調節(jié)時間，超調量，穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)定度 這四個量來評價控制過程。這里不再詳細說明更多的控制學上的概念。對于當前的問題，我們只需要理解，3D打印機的步進電機可能會 因為無法快速達到要求的速度，而影響它正常工作.上文提到過防止卷邊有三種方法，這里將要提到的第二種方法改善步進電機的動態(tài)性能.給材料提供進給速度的步進電機動態(tài) 性能不好，材料在剛剛噴出來的速度太小，會

17、影響材料與工作平面的 粘合性。從而會發(fā)生卷邊，漂移等等。控制噴嘴或者平臺運動的電機 動態(tài)性能不好，會使噴嘴在做快速運動時，無法快速達到目標速度， 從而發(fā)生噴出來的絲被拉動的現(xiàn)象。要改善步進電機的動態(tài)性能有至少以下 2種方法:1 ,調節(jié)步進電 機的電流.一些3D打印機廠家會提供電流調節(jié)旋鈕，或者，有些廠家 會提供軟件來修改步進電機的脈沖寬度.另外提一下，過高的電流也 不行，會使電機發(fā)熱加快，影響電機壽命，而且還會發(fā)生很大的噪音和 失步。2,降低步進電機的運動速度。速度太高，調節(jié)時間太長，那我 們把要求減低一點也可以。3D打印機的硬件操作還包括一些細節(jié)，比如說每次工作前要擦拭 工作平臺表面的灰塵等

18、等。這些工作看起來不起眼，但你不做，可能 會導致整個工程的失敗。工程作業(yè)是嚴謹的，雖然我們永遠無法做出 完美的工程，但你必須盡可能做到完美。硬件問題告一段落，下面介紹FD帆3D打印機的軟件操作.3D打印機要使用的軟件分開兩個部分，其中一部分在上位機 ，用來實現(xiàn)上文提到的將3維數據模型解析成G代碼.另外一部分位于3D打印機的芯片中。值得一提的是，這兩個軟件都可以找到開源資源.甚至，位于打印機上的硬件也可以使用 Arduino開源硬件資源。也就 是說，只要你有興趣，你可以做出專屬于自己的世界上獨一無二的3D打印機。這也是3D打印機的魅力之一。位于芯片上程序這里不再多 提。絕大多數情況下，對于使用者

19、而言，不需要考慮重寫芯片上的代 碼。所以，下面著重介紹位于上位機上的軟件使用。可以使用的軟件有多種，比如slic3r,printrun 和replicatorg等.這些軟件中slic3r是專門用于完成3維模型轉化的，printrun 用 來與機器通訊的，而replicatorg 則是一個集成的軟件。當然他們針 對的機器也略有不同，replicatorg 可以用在很多種機器上面，功能 非常強大。要讓軟件去正確地完成它自己的工作，你需要告訴它一些關于機器的參數。比如說，材料的直徑，材料需要的加熱溫度，進給速度等等。1、參數設置你需要設置比較重要的參數有：材料原始直徑，材料噴出直徑， 噴嘴溫度，工作

20、平臺溫度，座標軸的運動速度，材料進給速度，每一 層的高度，材料的填充百分比，邊界層數。下面一一介紹這些參數的 作用和設定方法。材料原始直徑指的是材料在沒有加熱時，進入加熱噴嘴之前的直徑.這個參數一定要盡可能設置得與實際數值吻合.因為它將和另外 一個參數，材料的噴出直接，共同決定材料進給量的計算參數。比如說, 原始直徑是噴出直徑的3倍，那么噴出口的噴出長度就是進去入口進 入長度的3倍.材料的噴出直徑，在上一段已經介紹。噴嘴溫度是材料擠壓出口時的溫度。 這個溫度的重要性，在硬件 介紹的部分已經提過。它需要根據使用的材料而定。判斷標準是材料 能夠順利被擠壓出噴頭，而且能夠很好的在工作平面上成型。工作

21、平臺的溫度是用來固定鋪在工作平臺上材料的。 如果發(fā)生卷 邊現(xiàn)象，可以嘗試增加這個參數，來提高溫度。坐標軸的運動速度實際上是個比較復雜的參數.噴頭的運動有好 幾種運動方式.比如說，在一邊噴材料一邊移動時的速度。不噴材料 僅僅是噴嘴移動時的移動運動速度。飛線（底下是空的，沒有支撐材 料，像是架橋。比如打印一個空心盒子時，打印其頂面。）時的運動 速度.除此之外，你還可以設置成讓它在打印第一層的時候的速度和 打印其他層時候的速度不同（打印第一層時太特殊，太關鍵，是成敗的 關鍵）。速度設置得太高，可能會因為電機的動態(tài)性能跟不上， 而發(fā)生 打印出來的絲條無法固定的現(xiàn)象。速度設置得太低，就會浪費時間。 一般

22、情況下，3D打印機廠家會給出一邊噴材料和一邊移動時速度的 一個推薦值。當你發(fā)現(xiàn)，采用這個推薦值，打印過程總出現(xiàn)絲條移動， 而噴頭高度又合適時，你就需要減低這個推薦值了 .至于其他的速度，軟件內部會有一個算法來根據這個速度來生成。當然 ，你覺得其他速 度也需要修改時，請一定要在軟件中修改。材料進給速度會根據前文所述噴頭在一邊噴材料一邊移動的速 度有關聯(lián)。噴頭移動得越快，這個進給速度也快。所以反過來，噴材 料的進給速度也會影響噴頭的運動速度.這兩個速度是耦合的。每一層的高度，這是一個至關重要的參數。它必須盡可能的與現(xiàn) 實相吻合。一般它略小于噴頭口的直徑.而且，這個參數還可以做多樣 化設定.你可以設

23、定成第一層和其他層的高度不一樣.（還是那個理 由，第一層很特殊，它直接鋪在工作平臺上，容易出問題，而其他層是 鋪在材料本身上）材料的填充百分比指的是填充實心物體時，材料所占體積的百分 比。在我們打印一個實心體積比較大的物體時.比如你想打印一個 100x100x100mm勺立方體.如果全部是實心的話，會非常的浪費材料。 通常我們沒有必要讓它成為實心。我們可以通過一個算法，用一種類 似與蜂窩的結構來填充實心部分。這就是 3D打印機節(jié)省材料的一個 關鍵。這個參數就可以設置在算法生成時，采用節(jié)省多少體積的結構. 這里我們需要注意，省材料的同時也會導致材料的強度下降。所以， 在強度要求較高的場合，請不要過于節(jié)省材料.邊界層數這個參數是緊隨填充百分比這個參數而定義的。在給實 心物體生成填充結構時，我們可以設置包圍這些填充結構的層數。就 像是蜂窩的外殼一樣。設置外殼的層數越多，打印出來的部件強度就越高。所以你可以選擇增加這個參數來提高零件的強度。當然你還可以配置更多的參數，來控制 3D打印機G代碼生成方 式。你甚至可以在生成G代碼后，加入自己特定G