D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(jié)構(gòu)工藝限制，直接將零件的 3 維數(shù)據(jù)資料打印成實體零件。這樣一個機器，對于機械設(shè)計者而言是一個不折不扣的神器。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計程序上，一個零件需要由設(shè)計者設(shè)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(xì)節(jié)部位還需要追加詳細(xì)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(jù)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(shè)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(shè)計者設(shè)計的零件可能會有部分結(jié)構(gòu)不容易加工制造，機械工藝師會將信息反饋給機械設(shè)計師，機械設(shè)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(shè)計者設(shè)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(xì)節(jié)描述的詳細(xì)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(jié)構(gòu)工藝限制，只需要3 維數(shù)據(jù)。簡單的說， 3D 打印機的出現(xiàn)， 讓電子數(shù)據(jù)與看得見摸的著的零件更緊密結(jié)合了。能極大的提高設(shè)計效率。目前市場上已經(jīng)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）的 3D打印機。我這篇文章也準(zhǔn)備對我使用了半年多的這類打印機做一

3、個總結(jié)。本文分為兩個部分， 第一部分將為簡要介紹 FDM式 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： FDM式 3D 打印機原理簡介任何 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(shù)學(xué)中的概念，那么就是，當(dāng)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(biāo)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

4、誤差以下，就夠了。FDM式的 3D打印機就是利用這個原理，將任意一個三維數(shù)據(jù)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?qū)崿F(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(jié)構(gòu)的限制因素）。所以 FDM式的 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(jìn)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(shù)據(jù)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(shè)計軟件千奇百怪，我們怎么把自己設(shè)計的 3 維實體做成能夠被打印機應(yīng)用的數(shù)據(jù)呢？這里一定要感謝世界上的開源組織和標(biāo)準(zhǔn)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?nèi)匀豢梢杂猛瑯拥臄?shù)據(jù)來交流。所有的 3D 模型都可以導(dǎo)出同樣格式的數(shù)據(jù)，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(biāo)準(zhǔn)的存在，讓我們整個流程可以走得更順暢。從技術(shù)實現(xiàn)角度來看，要實現(xiàn)FDM式 3D 打印機，就只需要實現(xiàn)以下三個技術(shù)：1、

6、能夠?qū)? 維數(shù)據(jù)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(zhì)上就是生成“捏牙膏的方法”。在這個步驟里，3 維數(shù)據(jù)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(dāng)前這個點以最快速方法運動到（ 0，0， 10）這個坐標(biāo)點。其代碼就是 G90G00X0 Y0Z10。這條代碼中， G90表示后面的坐標(biāo)使用絕對坐標(biāo)格式， G00表示快速移動操作， X0 表示目的坐標(biāo)的 X

7、 軸坐標(biāo)為 0，Y0 表示目的坐標(biāo)的 Y 軸坐標(biāo)為 0， Z10 表示目的坐標(biāo)的 Z 軸坐標(biāo)為 10。當(dāng)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(shù)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(shù)關(guān)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(biāo)格式，G01表示直線運動， X0Y0Z10表示目的坐標(biāo)為 （ 10，10，10），F(xiàn)10

8、0 表示移動速度為100 個單位每分鐘（單位可通過G20/G21指令來設(shè)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(jié)果，還要控制過程。它需要刀具（噴嘴）在三個坐標(biāo)軸上的速度的合速度能夠一直在指定的直線上。當(dāng)然更復(fù)雜一點的，還要求插補算法能夠?qū)崿F(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(yán)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(jìn)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(guān)鍵技術(shù)。市場上常見的噴嘴是由

9、帶尖的金屬噴嘴，熱傳感器，加熱電阻和一個步進(jìn)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(jìn)電機用來提供材料的進(jìn)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， FDM式 3D打印機已經(jīng)差不多了。它不復(fù)雜，實現(xiàn)上述三個技術(shù)，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(shè)計于一體的機器。它的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)都要么是經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員總結(jié)而設(shè)計的，要么是經(jīng)驗不豐富的設(shè)計人員通過嚴(yán)格的計算校和做出來的。擁有了以上三項技術(shù)，或許你可以制作一臺3D打印機，

10、但不一定能做好一臺3D打印機。第二部分： FDM式 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(xì)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(xì)節(jié)都特別重要。同樣，對于 3D打印機這樣追求精度至少應(yīng)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(xì)節(jié)問題。下面先從 3D打印機的硬件說起。1、溫度控制FDM式 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要由加熱

11、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(shù)。增加 P 參數(shù)來獲得更短的加熱時間，但是卻增加了溫度調(diào)節(jié)的超調(diào)量；提高 I 參數(shù)來消除穩(wěn)態(tài)誤差，增加穩(wěn)定度；增加 D 參數(shù)來減少超調(diào)量，但是也同時減低了穩(wěn)定度。關(guān)于 PID 算法，這里就不詳細(xì)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(jù)

12、材料而定的，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(yīng)。尤其是在鋪平臺邊沿的部分最明顯，這些位置的材料會應(yīng)為熱脹冷縮的效應(yīng)而向上卷起來。發(fā)生卷邊的現(xiàn)象。為了應(yīng)對卷邊，工程師們用了 3 種方法來應(yīng)對它。其中一種，就是對平臺進(jìn)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(guān)重要。這一層平面必須完整的鋪在工作平臺上。而

13、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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)螺絲來調(diào)節(jié)工作平臺的水平度。 在使用之前必須要做的就是調(diào)節(jié)工作平面讓它水平。但是，如果真是出現(xiàn)了

14、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(yīng)對辦法。這個應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)熱性。3、步進(jìn)電機步進(jìn)電機是驅(qū)動部件， 一般打印機在出產(chǎn)的時候就會設(shè)定好它的脈沖寬度等等。這些參數(shù)基本上能夠保證電機穩(wěn)態(tài)運行時的工作?？墒?，這里要著重提到的一點

15、，3D打印機對步進(jìn)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(yīng)。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)生的事情是你的手掌與物體被壓縮。在被壓縮的過程種，物體受到

16、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(jìn)電機的問題，在你給出步進(jìn)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(xué)上，用調(diào)節(jié)時間，超調(diào)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(xì)說明更多的控制學(xué)上的概念。對于當(dāng)前的問題，我們只需要理解，3D打印機的步進(jìn)電機可能會因為無法快速達(dá)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(jìn)電機的動態(tài)性能。給材料提供進(jìn)給速度的步進(jìn)電機動態(tài)性能不好，材料在剛剛噴出來的速度太小，會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

17、?？刂茋娮旎蛘咂脚_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(dá)到目標(biāo)速度，從而發(fā)生噴出來的絲被拉動的現(xiàn)象。要改善步進(jìn)電機的動態(tài)性能有至少以下2 種方法： 1，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機的電流。一些 3D 打印機廠家會提供電流調(diào)節(jié)旋鈕， 或者，有些廠家會提供軟件來修改步進(jìn)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(jìn)電機的運動速度。速度太高，調(diào)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(xì)節(jié)，比如說每次工作前要擦拭工作平臺表面的灰塵等等。這些工作看起來不起眼，但你不做，可能會導(dǎo)致整個工程的失敗。

18、工程作業(yè)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，雖然我們永遠(yuǎn)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FDM式 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(shù)據(jù)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(shù)情況下，對于使用者而言，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

19、機上的軟件使用?？梢允褂玫能浖卸喾N，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(zhuǎn)化的， printrun用來與機器通訊的，而replicatorg則是一個集成的軟件。當(dāng)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(guān)于機器的參數(shù)。比如說，材料的直徑，材料需要的加熱溫度，進(jìn)給速度等等。1、參數(shù)設(shè)置你需要設(shè)置比較重要的參數(shù)有：材料原始直徑，材料噴出直徑，噴嘴溫度，工作平臺溫度，座標(biāo)軸的運動速度，材料進(jìn)給速度，每一層的高度，材料的填充百分

20、比，邊界層數(shù)。下面一一介紹這些參數(shù)的作用和設(shè)定方法。材料原始直徑指的是材料在沒有加熱時，進(jìn)入加熱噴嘴之前的直徑。這個參數(shù)一定要盡可能設(shè)置得與實際數(shù)值吻合。 因為它將和另外一個參數(shù)， 材料的噴出直接，共同決定材料進(jìn)給量的計算參數(shù)。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(jìn)去入口進(jìn)入長度的 3 倍。材料的噴出直徑，在上一段已經(jīng)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(jīng)提過。它需要根據(jù)使用的材料而定。判斷標(biāo)準(zhǔn)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

21、個參數(shù)，來提高溫度。坐標(biāo)軸的運動速度實際上是個比較復(fù)雜的參數(shù)。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(shè)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(guān)鍵，是成敗的關(guān)鍵）。速度設(shè)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(shè)置得太低，就會浪費時間。一般情況下， 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(dāng)你發(fā)現(xiàn)， 采用這個推薦

22、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(nèi)部會有一個算法來根據(jù)這個速度來生成。當(dāng)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(jìn)給速度會根據(jù)前文所述噴頭在一邊噴材料一邊移動的速度有關(guān)聯(lián)。噴頭移動得越快，這個進(jìn)給速度也快。所以反過來，噴材料的進(jìn)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(guān)重要的參數(shù)。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(shù)還可以做多樣化設(shè)定。你可以設(shè)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

23、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的立方體。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(jié)構(gòu)來填充實心部分。這就是 3D 打印機節(jié)省材料的一個關(guān)鍵。這個參數(shù)就可以設(shè)置在算法生成時，采用節(jié)省多少體積的結(jié)構(gòu)。這里我們需要注意，省材料的同時也會導(dǎo)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(shù)這個參數(shù)是緊隨填充百分比這個參數(shù)而定義的。在給實心物體生成填充結(jié)構(gòu)時，我們可以設(shè)置包圍這些填充結(jié)構(gòu)的層數(shù)。就像是蜂窩的外殼一樣。設(shè)置外殼的層數(shù)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(shù)來提高零件的強度。當(dāng)然你還可以配置更多的參數(shù)， 來控制 3D打印機 G代碼生成方式。 你甚至可以在生成