3D打印
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3D 打印
3D 打印（又称增材制造，英文 Additive Manufacturing，简称 AM）是一种通过逐层堆积材料将数字三维模型转化为实体零件的制造技术。与传统的减材制造（如切削、铣削）和等材制造（如铸造、锻造）不同，增材制造仅在需要的地方沉积材料，从而显著减少废料，并能制造传统工艺难以实现的复杂几何结构。[1]
在哪里能使用：
| 场地/团队 | 设备列表 | 备注 |
|---|---|---|
| 工程实践创新中心 B203-3 | 15台X1C | 可预约 |
| 工程实践创新中心 D303 | 工程实践-3D打印教室 | 比赛季有几率预约触发 |
| VEX团队（东一楼209） | 约5台X1C | 学生团队公用 |
| VEX团队 | 2台H2DL、1台未知型号大打印机 | 内部使用 |
| Focus团队 | 1台H2S、1台X1C、1台P1S、1台A1 mini | 内部使用 |
| Robucon团队 | 2台H2SL、1台H2S、若干A1等 | 内部使用 |
| 思飞工作室 | 2台H2DC、1台P1S | 内部使用 |
| One团队 | 1台H2DL等 | 内部使用 |
| STAR团队 | 2台P1S、1台X1C、1台A1 | 内部使用 |
其他类型
- 相传东八楼有光固化打印机，但是坏了。
发展简史
3D 打印技术的起源可追溯至 20 世纪 80 年代：
- 1981 年 — 日本名古屋市工业研究所的小玉秀男（Hideo Kodama）发表了利用紫外光固化光敏树脂逐层制造三维实体的方法，被认为是 3D 打印的早期先驱。
- 1984 年 — 查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明了立体光刻（Stereolithography, SLA）技术，并于 1986 年创立了 3D Systems 公司，推出了第一台商用 3D 打印机 SLA-1。[2]
- 1988 年 — 斯科特·克伦普（Scott Crump）发明了熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）技术，并于 1989 年与妻子共同创立了 Stratasys 公司。[3]
- 1990 年代 — 选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）等粉末床熔融技术相继出现。
- 2005 年 — 阿德里安·鲍耶（Adrian Bowyer）发起 RepRap 项目，目标是制造能够自我复制的 3D 打印机，极大推动了桌面级 3D 打印的普及。
- 2010 年代至今 — 随着专利到期和技术成熟，桌面级 FDM 打印机价格大幅下降，以拓竹（Bambu Lab）、创想三维（Creality）、Prusa Research 等为代表的厂商推动了消费级市场的爆发式增长。
主要技术分类
根据 ISO/ASTM 52900 标准，增材制造技术分为七大类。[1]
材料挤出（Material Extrusion）
即 熔融沉积建模（FDM/FFF），是目前桌面级 3D 打印中最普及的技术。热塑性丝材通过加热的喷嘴熔化后挤出，逐层沉积成型。详见 熔融沉积建模 一节。[4]
光固化（Vat Photopolymerization）
- 立体光刻（SLA） — 利用紫外激光逐点扫描液态光敏树脂表面，使其固化成型。精度极高（层高可达 0.025mm），适合精密零件和珠宝首饰。[5]
- 数字光处理（DLP） — 使用投影仪将整层图像一次性投射到树脂表面，速度比 SLA 更快。
- 液晶遮蔽（LCD/MSLA） — 使用 LCD 屏幕作为遮罩来选择性固化树脂，成本更低，近年来在消费级市场快速普及。
粉末床熔融（Powder Bed Fusion）
- 选择性激光烧结（SLS） — 激光将粉末材料（如尼龙）选择性烧结成型。无需支撑结构（未烧结的粉末即为支撑），适合生产高强度功能件。[6]
- 选择性激光熔化（SLM）/ 电子束熔化（EBM） — 用于金属 3D 打印，将金属粉末完全熔化成型，可制造航空航天和医疗领域的高性能金属零件。
其他技术
- 粘合剂喷射（Binder Jetting） — 喷头将粘合剂喷射到粉末材料上，逐层粘合。
- 材料喷射（Material Jetting） — 类似喷墨打印，将光敏材料喷射后立即用紫外光固化，可实现全彩打印。
- 薄片层压（Sheet Lamination） — 将薄片材料逐层粘合并切割。
- 定向能量沉积（Directed Energy Deposition） — 利用激光或电子束在沉积金属材料的同时将其熔化，常用于修复和大型金属零件制造。
应用领域
3D 打印已从早期的快速原型制造扩展到众多领域：
| 领域 | 典型应用 | 优势 |
|---|---|---|
| 工业设计与原型 | 产品外观验证、功能测试、装配检查 | 快速迭代，数小时即可获得实物原型 |
| 航空航天 | 发动机涡轮叶片、轻量化支架、风洞模型 | 拓扑优化设计可减重 40%-60%，减少零件数量 |
| 医疗健康 | 定制假肢、牙科矫正器、手术导板、生物打印 | 个性化定制，贴合患者解剖结构 |
| 汽车制造 | 进气歧管、仪表板原型、定制夹具、赛车零部件 | 小批量快速生产，缩短研发周期 |
| 建筑 | 建筑模型、混凝土 3D 打印房屋 | 缩短施工周期，降低人工成本 |
| 教育 | 教学模型、科学实验器材、创客教育 | 低成本将抽象概念具象化 |
| 消费品 | 定制手机壳、眼镜框、鞋底、首饰 | 个性化生产，按需制造 |
| 模具制造 | 注塑模具的随形冷却水路、铸造蜡模 | 传统工艺无法实现的内部冷却通道 |
熔融沉积建模
熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM），也称熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF），是目前应用最广泛的 3D 打印技术。FDM 是 Stratasys 公司的注册商标，因此开源社区通常使用 FFF 这一名称。
工作原理
- 丝材（filament）由送料齿轮送入加热块（热端），被加热至熔点以上
- 熔融的材料通过喷嘴（直径通常为 0.4mm）挤出
- 喷嘴在 XY 平面上按路径移动，沉积一层材料
- 打印平台下降（或喷嘴上升）一个层高的距离
- 重复上述过程，逐层堆积直至完成
关键硬件
| 部件 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|
| 喷嘴 | 挤出熔融材料 | 常见直径 0.2-1.0mm，标准 0.4mm |
| 加热块 | 加热并熔化丝材 | 温度范围因材料而异（PLA: 190-220°C, ABS: 230-260°C） |
| 散热风扇 | 冷却刚挤出的材料 | PLA 需要强冷却，ABS 则需要封闭腔体保温 |
| 热床 | 提供打印底面附着力 | 温度：PLA 50-60°C, ABS 100-110°C |
| 送料系统 | 驱动丝材进入热端 | 直驱挤出机 vs 远程鲍登管挤出机 |
| 运动系统 | 控制喷嘴 XYZ 移动 | CoreXY、笛卡尔、Delta 等结构 |
切片
切片（Slicing）是 3D 打印流程中将数字模型转化为打印机可执行指令的关键步骤。切片软件将三维模型水平分割为数百甚至数千个薄层，计算每层的打印路径（toolpath）、挤出量、速度和温度等参数，最终生成 G-code 文件。[7]
切片的工作流程
- 导入三维模型文件（STL、OBJ、3MF 等格式）
- 设置打印参数（层高、填充、温度、速度等）
- 自动或手动放置支撑结构
- 切片软件计算每层的路径规划
- 生成 G-code 文件并传输至打印机
G-code 简介
G-code 是数控机床通用的指令语言，3D 打印机通过解析 G-code 来控制运动和挤出。常见指令包括：
| 指令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
| G0/G1 | 直线移动 | G1 X100 Y50 Z0.3 F3000
|
| G28 | 归零（回原点） | G28
|
| G29 | 自动调平 | G29
|
| M104/M109 | 设置/等待喷嘴温度 | M104 S210
|
| M140/M190 | 设置/等待热床温度 | M140 S60
|
| M106 | 控制风扇转速 | M106 S255
|
关键切片参数
| 参数 | 作用 | 常用范围 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 层高 | 决定表面精度和打印时间 | 0.08-0.4mm | 层高越小精度越高，但打印时间成倍增加；一般取喷嘴直径的 25%-75% |
| 壁厚/外壳层数 | 影响外观质量和结构强度 | 2-6 层 | 通常 3-4 层，每层宽度约等于喷嘴直径 |
| 填充密度 | 影响强度和材料消耗 | 5%-100% | 原型件 10%-20% 即可，承力零件建议 40%-60% |
| 填充图案 | 影响各方向强度和打印速度 | 直线、锯齿形、蜂窝、陀螺旋等 | 蜂窝强度最高，直线速度最快 |
| 打印温度 | 影响层间粘合和表面质量 | 因材料而异 | 温度过低层间粘合差，过高会产生拉丝和变形 |
| 打印速度 | 平衡效率与质量 | 40-300mm/s | 拓竹等高速打印机可达 500mm/s 以上 |
| 回抽设置 | 减少换点和移动时的拉丝 | 距离 0.8-8mm, 速度 25-60mm/s | 直驱挤出机回抽距离较短，鲍登管需要更长 |
| 支撑角度 | 决定何时生成支撑 | 45°-60° | 角度越大越少生成支撑，但悬垂质量会下降 |
| 首层设置 | 确保模型牢固附着于热床 | 首层速度 20-30mm/s, 首层高度 0.2-0.3mm | 首层过快会导致附着不良 |
常用切片软件
| 软件 | 开源 | 特点 | 官网 |
|---|---|---|---|
| Bambu Studio | 否 | 拓竹官方切片软件，内置打印机优化参数配置，支持多色打印和远程监控 | Bambu Lab Wiki — Bambu Studio |
| OrcaSlicer | 是 | 基于 Bambu Studio 的开源分支，支持更多品牌打印机，社区活跃 | GitHub — OrcaSlicer |
| PrusaSlicer | 是 | Prusa Research 出品，以打印质量和易用性著称，功能丰富 | Prusa 官网 |
| Cura | 是 | Ultimaker 出品，支持 400+ 种打印机型号，插件生态丰富 | Ultimaker — Cura |
| Simplify3D | 否 | 老牌商业切片软件，以精细的支撑控制和打印质量优化著称 | Simplify3D — Print Quality Guide |
切片中的常见问题
- 翘边（Warping） — 打印件底部因冷却收缩而脱离热床。解决：使用热床、围裙（brim）、封闭腔体、合适的热床温度。
- 层间开裂（Layer Separation） — 层与层之间粘合不足。解决：提高打印温度、降低冷却风扇速度、减慢打印速度。
- 拉丝（Stringing） — 喷嘴在非打印区域移动时留下细丝。解决：调整回抽距离和速度、降低打印温度。
- 溢料（Over-extrusion） — 挤出量过多导致表面粗糙。解决：校准挤出倍率（flow rate）。
- 欠料（Under-extrusion） — 挤出量不足导致层间有间隙。解决：检查喷嘴是否堵塞、提高打印温度、增加挤出倍率。
支撑结构
当模型存在悬空（overhang）或桥接（bridge）结构时，下层截面无法对上层提供有效支撑，熔融材料会因重力下垂、坍塌或变形。支撑结构（Support Structure）充当临时"脚手架"，在打印完成后拆除。[8]
需要支撑的几何特征
- 悬垂（Overhang） — 超过 45° 的向下倾斜表面。一般规则：FDM 打印可自行支撑 45° 以内的悬垂角度。
- 桥接（Bridge） — 两个支撑点之间的水平悬空结构。短距离桥接（<10mm）通常可无需支撑，长距离则需要。
- 深腔和倒扣（Undercut） — 模型内部的空腔或向外突出的结构，无法从下方逐层打印。
支撑类型
| 类型 | 原理 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 普通/网格支撑 | 在悬垂区域下方生成密集的柱状或格栅结构 | 与模型接触面积大，支撑稳定可靠 | 材料消耗较多，拆除困难，可能损伤表面 | 大面积悬垂、平坦底部支撑 |
| 树状支撑 | 从热床上生长出类似树枝的支撑结构，仅在关键点与模型接触 | 材料消耗少，拆除容易，不易损伤表面 | 对复杂悬垂支撑不够稳定 | 模型内部支撑、多点分散悬垂 |
| 混合支撑 | 在靠近模型表面处使用网格支撑，远离模型处使用树状支撑 | 兼顾稳定性和易拆除性 | 计算较复杂 | 复杂模型的通用方案 |
| 可溶性支撑 | 使用与模型不同材料（如 PVA、HIPS）打印支撑，通过化学溶解去除 | 支撑面光洁度极高，无拆除痕迹 | 需要双喷头打印机，材料成本高 | 对表面质量要求极高的零件 |
支撑关键参数
| 参数 | 说明 | 建议值 |
|---|---|---|
| 支撑角度阈值 | 超过此角度才生成支撑 | 45°-60°（越小越保守） |
| 支撑密度 | 支撑结构的填充密度 | 10%-20%（过高难拆除） |
| Z 距离 | 支撑顶部与模型底部的间距 | 0.2-0.3mm（约 1-2 层高） |
| XY 距离 | 支撑与模型侧面的水平间距 | 0.7-1.0mm |
| 接口层 | 支撑与模型接触面的特殊处理层 | 可启用以改善支撑面质量 |
支撑去除方法
- 手动剥离 — 使用尖嘴钳、铲刀、手术刀等工具小心剥离支撑。操作时注意施力方向，避免损伤模型表面。[9]
- 溶解去除 — 使用 PVA 支撑材料的模型可浸泡在水中溶解支撑；使用 HIPS 支撑材料的模型可浸泡在柠檬烯（D-Limonene）溶剂中。
- 冷冻辅助 — 将模型放入冰箱或使用冷冻喷雾，使支撑材料因热胀冷缩而变脆，更容易断裂去除。
- 打磨处理 — 去除支撑后，可用 400-2000 目砂纸逐步打磨支撑接触面的痕迹，最后进行抛光。
设计时减少支撑的技巧
- 将悬垂角度控制在 45° 以内
- 使用倒角代替圆角来过渡垂直面
- 将模型分割为多个部件分别打印，再组装
- 调整模型摆放方向，减少悬垂面积
- 使用桥接设计代替大跨度悬垂
常用材料
| 材料 | 全称 | 打印温度 | 热床温度 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 聚乳酸 | 190-220°C | 50-60°C | 易打印、环保可降解、成本低、刚性好但韧性一般、不耐高温（~60°C） | 入门学习、原型展示、教育 |
| ABS | 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 | 230-260°C | 100-110°C | 强度高、耐热性好、可丙酮蒸汽抛光、打印时有气味需通风 | 功能件、机械零件、外壳 |
| PETG | 聚对苯二甲酸乙二醇酯 | 220-250°C | 70-80°C | 强度好、耐化学腐蚀、层间粘合强、不易翘边 | 功能件、户外用品、容器 |
| TPU | 热塑性聚氨酯 | 220-250°C | 50-60°C | 弹性好、耐磨、可弯曲变形 | 手机壳、鞋垫、密封件、减震件 |
| PA（尼龙） | 聚酰胺 | 240-270°C | 70-100°C | 高强度、高韧性、耐磨、吸湿性强 | 齿轮、轴承、高强度功能件 |
| ASA | 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯 | 235-255°C | 100-110°C | 类似 ABS 但耐紫外线和耐候性更好 | 户外使用零件 |
| PC | 聚碳酸酯 | 270-310°C | 100-120°C | 极高强度、高透明度、耐高温 | 高强度结构件、透明零件 |
| PVA | 聚乙烯醇 | 190-210°C | 60-80°C | 水溶性支撑材料 | 与 PLA 配合使用作可溶性支撑 |
后处理
3D 打印完成后的后处理步骤可显著提升零件的外观和性能：
- 取件 — 待模型和热床完全冷却后再取下，热态取件可能导致变形。对于附着力较强的模型，可使用铲刀辅助。
- 去除支撑 — 按照 支撑去除方法 一节操作。
- 清理毛边和拉丝 — 用手术刀修剪毛边，用热风枪（低温）或打火机快速扫过表面去除拉丝。
- 打磨 — 从 400 目砂纸开始，逐步使用 800、1200、2000 目，获得光滑表面。
- 填补与底漆 — 对于需要喷涂的模型，使用腻子填补层纹后喷涂底漆。
- 上色 — 使用丙烯颜料或喷漆进行着色。
- 表面处理 — ABS 可用丙酮蒸汽抛光获得光滑表面；PLA 可用 THF（四氢呋喃）抛光（需在通风环境中操作）。
- 装配 — 使用胶水、螺丝、卡扣等方式将多个打印件组装为成品。
模型资源
以下是常用的 3D 模型分享平台，用户可免费下载或分享打印模型：
- Thingiverse — 最大的免费 3D 模型社区之一
- Printables — Prusa Research 旗下的模型分享平台
- MakerWorld — 拓竹官方模型平台，与 Bambu Studio 深度集成
- MyMiniFactory — 经过质量审核的 3D 模型平台
参考资料
- ↑ 1.0 1.1 ISO/ASTM 52900:2021 — Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary
- ↑ 3D Systems 官网
- ↑ Stratasys 官网
- ↑ Hubs — What is FDM 3D Printing?
- ↑ Formlabs — SLA 3D 打印
- ↑ Materialise — 增材制造服务
- ↑ Bambu Lab Wiki — Bambu Studio Quick Start
- ↑ Bambu Lab Wiki — Knowledge Sharing
- ↑ 拓竹 Wiki — Bambu Studio 入门
- ↑ Bambu Lab Wiki — Filaments
- ↑ Bambu Lab Wiki — Filament Guide for Beginners
- ↑ Bambu Lab Wiki — FAQ
外部链接
- 拓竹 Wiki（Bambu Lab Wiki） — 包含 3D 打印入门、切片软件教程、材料指南等丰富内容
- Ultimaker Cura — 开源切片软件，支持 400+ 种打印机
- Simplify3D Print Quality Guide — 打印质量问题排查指南
- Hubs — What is FDM 3D Printing? — FDM 技术详解
- ISO/ASTM 52900:2021 — 增材制造国际标准
- Stratasys — FDM 技术发明者，工业级 3D 打印领导者
- 3D Systems — SLA 技术发明者
- Formlabs — 桌面级 SLA/SLS 打印机制造商
- Materialise — 增材制造软件与服务提供商
- Prusa Research — 开源 3D 打印机与切片软件
- Creality（创想三维） — 消费级 3D 打印机制造商
- Raise3D — 专业级 FDM 打印机制造商