一口氣看完 3D 打印原理，從耗材熔融到實體成型完整過程，帶你吃透 3D 打印機最硬核堆疊成型原理！

長腦子最好的方式就是多看我的原理拆解 接下來的一百年 我將帶你逐一拆解各種事物的核心原理 今天我將一口氣帶你看懂3D打印機的完整工作原理 整套系統分成四個核心部分 從三維模型、切片、融化到逐層成型的完整工作原理 3D打印屬於一種叫做增材製造的加工方式 所謂增材就是從幾乎什麼都沒有開始 一點一點增加材料 傳統的剪裁加工剛好相反 比如拿一整塊金屬通過車削、洗削或者切割 把不需要的材料不斷去掉 最後留下想要的形狀 而3D打印是哪裏需要材料就往哪裏增加材料 第一層完成再在它上面打印第二層 第二層上面繼續增加 第三層一直堆到整個模型完成 所以從原理上看 3D打印並不是一次把整個物體制造出來 而是把一個三維物體拆成大量非常薄的二維截面 在一層層重新組合起來 3D打印有很多不同技術 容容成機成型 也就是FDM 它使用的原材料不是墨水 而是一卷細長的塑料絲 也叫耗材或者線材 常見線材直徑大約是1.75毫米 其中PLA是比較常見 相對容易使用的一種材料 打印時這根塑料絲會不斷被送入打印頭 在裏面加熱融化 再從下面一個非常細小的噴嘴中擠出來 噴嘴按照指定路線移動 融化的塑料留在打印平臺上 冷卻以後形成第一層 隨後噴嘴改變高度 再打印下一層 如此不斷重複 最終就形成完整的三維物體 但只會擠塑料還遠遠不夠 真正決定模型形狀的 是打印機內部非常精確的運動系統 先看工具頭 線材從頂部線軸出來以後 會經過導管進入工具頭 工具頭內部有一臺步進電機 它負責把線材準確送向熱端 普通電機通電以後通常連續旋轉 而步進電機最大的特點 是能夠按照控制信號一步一步轉動 轉多少角度 停在什麼位置 都可以被準確控制 因此打印機不僅可以控制噴嘴的位置 也可以準確控制什麼時候送出線材 送出多少線材 接下來是XYZ三軸運動 先看X軸 工具頭安裝在線性導軌上 旁邊的步進電機帶動皮帶運動 皮帶在拖動 整個工具頭左右移動 這就是X方向 然後是Z軸 畫面中可以看到兩側的螺紋杆 步進電機讓螺桿旋轉以後 整個導軌和工具頭就可以上下移動 這就是Z方向 可只有左右和上下 仍然只能得到一個二維平面 第三個方向怎麼解決 讓整個打印平臺前後運動 這就是Y軸 平臺下方同樣有步進電機和皮帶 電機轉動以後 構建板就會前後移動 這樣一來 工具頭負責左右 也就是X軸 螺桿控制上下 也就是Z軸 打印平臺負責前後 也就是Y軸 三個方向組合起來 噴嘴就可以到達 整個打印空間中的指定位置 這也是3D打印機 能夠製造三維物體 最基礎的機械條件 但機器能移動 不代表它知道應該往哪裏移動 真正的起點其實在電腦裏 我們首先需要一個三維模型 這個模型可以自己使用3D軟件設計 也可以從網上下載 甚至可以通過3D掃描 把現實中的物體轉換成數字模型 但普通三維模型打印機 不能直接理解 所以在正式打印以前 還需要經過一個非常關鍵的步驟 切片 切片軟件會把完整的三維模型 沿着高度方向 切成大量很薄的二維層 想象一下 把一個三維物體 切成幾百甚至幾千張 非常薄的水平截面 打印機真正執行的 就是這些截面 切片完成以後 軟件還會生成一套 叫做記代碼的指令 這些指令會告訴打印機 噴嘴移動到哪裏 什麼時候開始擠出材料擠多少 平臺和工具頭怎麼移動 什麼時候抬高到下一層 也就是說 3D模型只是告訴電腦 最後要長成什麼樣 而記代碼纔是真正告訴機器 第一步往哪裏走 第二步做什麼 第三步擠多少塑料 打印機按照這些指令逐條執行 數字模型才真正開始轉化成實體 現在按下打印按鈕 機器並不會立刻開始製造模型 第一步是預熱 打印平臺開始升溫 工具頭內部的熱端也開始升溫 步進電機 把塑料線材不斷送向熱端 材料被加熱軟化 最後從噴嘴擠出 噴嘴溫度可以達到大約220攝氏度 所以真正融化塑料的 並不是整個打印頭 而是最下面的熱端和噴嘴區域 正式打印之前 機器通常還會先排出一部分材料 這樣可以確認噴嘴沒有堵塞 讓新進入的塑料保持穩定流動 隨後進行另一個非常關鍵的動作 平臺調平 因爲噴嘴第一層距離平臺非常近 平臺哪怕存在細小高度偏差 都可能導致一邊離噴嘴太近 另一邊又離得太遠太近 塑料可能無法正常擠出 太遠第一層又無法牢牢粘在平臺上 所以現在3D打印機 會先檢測平臺不同位置的高度 再根據檢測結果進行補償 調平完成後 通常還會在正式模型旁邊 先打印一些測試線 進一步確認出撕狀態 接下來就是整個打印過程中 非常關鍵的第一層 第一層必須牢牢粘在構建板上 因爲後面的幾百層 幾千層全部建立在它的基礎上 如果第一層翹起移動 或者脫離平臺 後面即使噴嘴運動得再準確 整個模型也可能直接失敗 因此打印平臺通常會加熱 表面還可能帶有特殊紋理 目的都是增強第一層附着效果 第一層穩定以後 噴嘴開始正式構建模型 打印一層時 它通常先走模型外部輪廓 這裏有一個非常有意思的設計 填充 一個看起來完整的3D打印零件 內部並不一定是實心的 因爲完全填滿內部 會增加材料消耗和打印時間 所以切片軟件 可以在模型內部生成網格 蜂窩或者其他結構 外面保持完整殼體 裏面只放置一部分支撐結構 使用大約15%的填充 這樣既可以減少材料 又能爲外殼提供一定支撐 所以很多3D打印模型 看起來是完整實體 切開以後卻會發現 內部其實存在大量空隙 但3D打印還有一個天然限制 它只能把新的材料 放在已經存在的材料上 例如打印一個垂直牆面 沒有問題 因爲每一層下面都有上一層 但如果模型突然向外伸出很大一塊 噴嘴下面沒有任何東西 融化的塑料 就相當於要直接打印在空氣中 這時材料很可能下垂 甚至掉下來 所以對於較大的懸空結構 需要增加支撐 切片軟件會自動生成額外結構 先把懸空區域拖住 模型完成以後 再把這些支撐拆掉 它並不是最終模型的一部分 而是打印過程中 臨時搭起來的腳手架 到這裏 一臺最基礎的FDM打印機 已經能完成單色模型 它使用一套獨立的自動材料系統 可以同時安裝多卷不同顏色的線材 打印某種顏色時 對應的線材被送入工具頭 當模型打印到需要改變顏色的位置 工具頭先停止打印 把正在使用的線材切斷並退回 然後第二種顏色的線材 被送進噴嘴 但這裏還有一個問題 噴嘴內部仍然殘留上一種顏色的塑料 如果直接打印 兩種顏色會混在一起 所以換色以後 機器必須先擠出一部分材料 把噴嘴內部的舊顏色清除乾淨 再繼續打印新顏色 這也是多色打印爲什麼往往更慢 而且會產生更多廢料 前面這種打印機 打印平臺會在外軸快速前後運動 這類佈局的特點是結構比較直觀 但打印大型模型時 整個模型也要跟着平臺高速移動 而後面展示的另一種結構 構建板主要沿Z軸緩慢上下 這樣高速運動的 主要是質量更小的工具頭 而不是整個模型和打印平臺 不同結構解決問題的方式不同 但核心目標沒有改變 準確控制噴嘴和模型之間的三維相對位置 現在把整個3D打印過程重新連起來 電腦中先建立三維模型 切片軟件把模型分解成大量二維薄層 再生成控制打印機運動的G代碼 打印開始以後 熱端和平臺預熱 步進電機把塑料絲送進熱端 噴嘴將融化材料擠到指定位置 XYZ三軸根據指令不斷調整位置 第一層粘在平臺上 第二層覆蓋第一層 第三層再覆蓋第二層 內部不需要完全填滿的位置使用填充結構 遇到無法懸空打印的位置就增加臨時支撐 數百甚至數千層材料不斷堆積以後 電腦裏原本看不見摸不着的三維模型 就這樣變成了真正的實體 所以3D打印真正神奇的地方 而是它先把一個複雜三維物體 拆成無數簡單的二維截面 再利用步進電機 熱端 噴嘴和三軸運動系統 把這些截面一層一層重新堆回來