3D打印
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3D 打印
3D 打印（又稱增材製造，英文 Additive Manufacturing，簡稱 AM）是一種通過逐層堆積材料將數字三維模型轉化為實體零件的製造技術。與傳統的減材製造（如切削、銑削）和等材製造（如鑄造、鍛造）不同，增材製造僅在需要的地方沉積材料，從而顯著減少廢料，並能製造傳統工藝難以實現的複雜幾何結構。[1]
在哪裏能使用：
| 場地/團隊 | 設備列表 | 備註 |
|---|---|---|
| 工程實踐創新中心 B203-3 | 15台X1C | 可預約 |
| 工程實踐創新中心 D303 | 工程實踐-3D打印教室 | 比賽季有幾率預約觸發 |
| 東一樓209（VEX團隊） | 約5台X1C | 學生團隊公用 |
| VEX團隊 | 2台H2DL、1台未知型號大打印機 | 內部使用 |
| Focus團隊 | 1台H2S、1台X1C、1台P1S、1台A1 mini | 內部使用 |
| Robucon團隊 | 2台H2SL、1台H2S、若干A1等 | 內部使用 |
| 思飛工作室 | 2台H2DC、1台P1S | 內部使用 |
| One團隊 | 1台H2DL等 | 內部使用 |
| STAR團隊 | 2台P1S、1台X1C、1台A1 | 內部使用 |
其他類型
- 相傳東八樓有光固化打印機，但是壞了。
發展簡史
3D 打印技術的起源可追溯至 20 世紀 80 年代：
- 1981 年 — 日本名古屋市工業研究所的小玉秀男（Hideo Kodama）發表了利用紫外光固化光敏樹脂逐層製造三維實體的方法，被認為是 3D 打印的早期先驅。
- 1984 年 — 查爾斯·赫爾（Charles Hull）發明了立體光刻（Stereolithography, SLA）技術，並於 1986 年創立了 3D Systems 公司，推出了第一台商用 3D 打印機 SLA-1。[2]
- 1988 年 — 斯科特·克倫普（Scott Crump）發明了熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling, FDM）技術，並於 1989 年與妻子共同創立了 Stratasys 公司。[3]
- 1990 年代 — 選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）等粉末床熔融技術相繼出現。
- 2005 年 — 阿德里安·鮑耶（Adrian Bowyer）發起 RepRap 項目，目標是製造能夠自我複製的 3D 打印機，極大推動了桌面級 3D 打印的普及。
- 2010 年代至今 — 隨着專利到期和技術成熟，桌面級 FDM 打印機價格大幅下降，以拓竹（Bambu Lab）、創想三維（Creality）、Prusa Research 等為代表的廠商推動了消費級市場的爆發式增長。
主要技術分類
根據 ISO/ASTM 52900 標準，增材製造技術分為七大類。[1]
材料擠出（Material Extrusion）
即 熔融沉積建模（FDM/FFF），是目前桌面級 3D 打印中最普及的技術。熱塑性絲材通過加熱的噴嘴熔化後擠出，逐層沉積成型。詳見 熔融沉積建模 一節。[4]
光固化（Vat Photopolymerization）
- 立體光刻（SLA） — 利用紫外激光逐點掃描液態光敏樹脂表面，使其固化成型。精度極高（層高可達 0.025mm），適合精密零件和珠寶首飾。[5]
- 數字光處理（DLP） — 使用投影儀將整層圖像一次性投射到樹脂表面，速度比 SLA 更快。
- 液晶遮蔽（LCD/MSLA） — 使用 LCD 屏幕作為遮罩來選擇性固化樹脂，成本更低，近年來在消費級市場快速普及。
粉末床熔融（Powder Bed Fusion）
- 選擇性激光燒結（SLS） — 激光將粉末材料（如尼龍）選擇性燒結成型。無需支撐結構（未燒結的粉末即為支撐），適合生產高強度功能件。[6]
- 選擇性激光熔化（SLM）/ 電子束熔化（EBM） — 用於金屬 3D 打印，將金屬粉末完全熔化成型，可製造航空航天和醫療領域的高性能金屬零件。
其他技術
- 粘合劑噴射（Binder Jetting） — 噴頭將粘合劑噴射到粉末材料上，逐層粘合。
- 材料噴射（Material Jetting） — 類似噴墨打印，將光敏材料噴射後立即用紫外光固化，可實現全彩打印。
- 薄片層壓（Sheet Lamination） — 將薄片材料逐層粘合併切割。
- 定向能量沉積（Directed Energy Deposition） — 利用激光或電子束在沉積金屬材料的同時將其熔化，常用於修復和大型金屬零件製造。
應用領域
3D 打印已從早期的快速原型製造擴展到眾多領域：
| 領域 | 典型應用 | 優勢 |
|---|---|---|
| 工業設計與原型 | 產品外觀驗證、功能測試、裝配檢查 | 快速迭代，數小時即可獲得實物原型 |
| 航空航天 | 發動機渦輪葉片、輕量化支架、風洞模型 | 拓撲優化設計可減重 40%-60%，減少零件數量 |
| 醫療健康 | 定製假肢、牙科矯正器、手術導板、生物打印 | 個性化定製，貼合患者解剖結構 |
| 汽車製造 | 進氣歧管、儀錶板原型、定製夾具、賽車零部件 | 小批量快速生產，縮短研發周期 |
| 建築 | 建築模型、混凝土 3D 打印房屋 | 縮短施工周期，降低人工成本 |
| 教育 | 教學模型、科學實驗器材、創客教育 | 低成本將抽象概念具象化 |
| 消費品 | 定製手機殼、眼鏡框、鞋底、首飾 | 個性化生產，按需製造 |
| 模具製造 | 注塑模具的隨形冷卻水路、鑄造蠟模 | 傳統工藝無法實現的內部冷卻通道 |
熔融沉積建模
熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling, FDM），也稱熔絲製造（Fused Filament Fabrication, FFF），是目前應用最廣泛的 3D 打印技術。FDM 是 Stratasys 公司的註冊商標，因此開源社區通常使用 FFF 這一名稱。
工作原理
- 絲材（filament）由送料齒輪送入加熱塊（熱端），被加熱至熔點以上
- 熔融的材料通過噴嘴（直徑通常為 0.4mm）擠出
- 噴嘴在 XY 平面上按路徑移動，沉積一層材料
- 打印平台下降（或噴嘴上升）一個層高的距離
- 重複上述過程，逐層堆積直至完成
關鍵硬件
| 部件 | 功能 | 說明 |
|---|---|---|
| 噴嘴 | 擠出熔融材料 | 常見直徑 0.2-1.0mm，標準 0.4mm |
| 加熱塊 | 加熱並熔化絲材 | 溫度範圍因材料而異（PLA: 190-220°C, ABS: 230-260°C） |
| 散熱風扇 | 冷卻剛擠出的材料 | PLA 需要強冷卻，ABS 則需要封閉腔體保溫 |
| 熱床 | 提供打印底面附着力 | 溫度：PLA 50-60°C, ABS 100-110°C |
| 送料系統 | 驅動絲材進入熱端 | 直驅擠出機 vs 遠程鮑登管擠出機 |
| 運動系統 | 控制噴嘴 XYZ 移動 | CoreXY、笛卡爾、Delta 等結構 |
切片
切片（Slicing）是 3D 打印流程中將數字模型轉化為打印機可執行指令的關鍵步驟。切片軟件將三維模型水平分割為數百甚至數千個薄層，計算每層的打印路徑（toolpath）、擠出量、速度和溫度等參數，最終生成 G-code 文件。[7]
切片的工作流程
- 導入三維模型文件（STL、OBJ、3MF 等格式）
- 設置打印參數（層高、填充、溫度、速度等）
- 自動或手動放置支撐結構
- 切片軟件計算每層的路徑規劃
- 生成 G-code 文件並傳輸至打印機
G-code 簡介
G-code 是數控機床通用的指令語言，3D 打印機通過解析 G-code 來控制運動和擠出。常見指令包括：
| 指令 | 功能 | 示例 |
|---|---|---|
| G0/G1 | 直線移動 | G1 X100 Y50 Z0.3 F3000
|
| G28 | 歸零（回原點） | G28
|
| G29 | 自動調平 | G29
|
| M104/M109 | 設置/等待噴嘴溫度 | M104 S210
|
| M140/M190 | 設置/等待熱床溫度 | M140 S60
|
| M106 | 控制風扇轉速 | M106 S255
|
關鍵切片參數
| 參數 | 作用 | 常用範圍 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 層高 | 決定表面精度和打印時間 | 0.08-0.4mm | 層高越小精度越高，但打印時間成倍增加；一般取噴嘴直徑的 25%-75% |
| 壁厚/外殼層數 | 影響外觀質量和結構強度 | 2-6 層 | 通常 3-4 層，每層寬度約等於噴嘴直徑 |
| 填充密度 | 影響強度和材料消耗 | 5%-100% | 原型件 10%-20% 即可，承力零件建議 40%-60% |
| 填充圖案 | 影響各方向強度和打印速度 | 直線、鋸齒形、蜂窩、陀螺旋等 | 蜂窩強度最高，直線速度最快 |
| 打印溫度 | 影響層間粘合和表面質量 | 因材料而異 | 溫度過低層間粘合差，過高會產生拉絲和變形 |
| 打印速度 | 平衡效率與質量 | 40-300mm/s | 拓竹等高速打印機可達 500mm/s 以上 |
| 回抽設置 | 減少換點和移動時的拉絲 | 距離 0.8-8mm, 速度 25-60mm/s | 直驅擠出機回抽距離較短，鮑登管需要更長 |
| 支撐角度 | 決定何時生成支撐 | 45°-60° | 角度越大越少生成支撐，但懸垂質量會下降 |
| 首層設置 | 確保模型牢固附着於熱床 | 首層速度 20-30mm/s, 首層高度 0.2-0.3mm | 首層過快會導致附着不良 |
常用切片軟件
| 軟件 | 開源 | 特點 | 官網 |
|---|---|---|---|
| Bambu Studio | 否 | 拓竹官方切片軟件，內置打印機優化參數配置，支持多色打印和遠程監控 | Bambu Lab Wiki — Bambu Studio |
| OrcaSlicer | 是 | 基於 Bambu Studio 的開源分支，支持更多品牌打印機，社區活躍 | GitHub — OrcaSlicer |
| PrusaSlicer | 是 | Prusa Research 出品，以打印質量和易用性著稱，功能豐富 | Prusa 官網 |
| Cura | 是 | Ultimaker 出品，支持 400+ 種打印機型號，插件生態豐富 | Ultimaker — Cura |
| Simplify3D | 否 | 老牌商業切片軟件，以精細的支撐控制和打印質量優化著稱 | Simplify3D — Print Quality Guide |
切片中的常見問題
- 翹邊（Warping） — 打印件底部因冷卻收縮而脫離熱床。解決：使用熱床、圍裙（brim）、封閉腔體、合適的熱床溫度。
- 層間開裂（Layer Separation） — 層與層之間粘合不足。解決：提高打印溫度、降低冷卻風扇速度、減慢打印速度。
- 拉絲（Stringing） — 噴嘴在非打印區域移動時留下細絲。解決：調整回抽距離和速度、降低打印溫度。
- 溢料（Over-extrusion） — 擠出量過多導致表面粗糙。解決：校準擠出倍率（flow rate）。
- 欠料（Under-extrusion） — 擠出量不足導致層間有間隙。解決：檢查噴嘴是否堵塞、提高打印溫度、增加擠出倍率。
支撐結構
當模型存在懸空（overhang）或橋接（bridge）結構時，下層截面無法對上層提供有效支撐，熔融材料會因重力下垂、坍塌或變形。支撐結構（Support Structure）充當臨時"腳手架"，在打印完成後拆除。[8]
需要支撐的幾何特徵
- 懸垂（Overhang） — 超過 45° 的向下傾斜表面。一般規則：FDM 打印可自行支撐 45° 以內的懸垂角度。
- 橋接（Bridge） — 兩個支撐點之間的水平懸空結構。短距離橋接（<10mm）通常可無需支撐，長距離則需要。
- 深腔和倒扣（Undercut） — 模型內部的空腔或向外突出的結構，無法從下方逐層打印。
支撐類型
| 類型 | 原理 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 普通/網格支撐 | 在懸垂區域下方生成密集的柱狀或格柵結構 | 與模型接觸面積大，支撐穩定可靠 | 材料消耗較多，拆除困難，可能損傷表面 | 大面積懸垂、平坦底部支撐 |
| 樹狀支撐 | 從熱床上生長出類似樹枝的支撐結構，僅在關鍵點與模型接觸 | 材料消耗少，拆除容易，不易損傷表面 | 對複雜懸垂支撐不夠穩定 | 模型內部支撐、多點分散懸垂 |
| 混合支撐 | 在靠近模型表面處使用網格支撐，遠離模型處使用樹狀支撐 | 兼顧穩定性和易拆除性 | 計算較複雜 | 複雜模型的通用方案 |
| 可溶性支撐 | 使用與模型不同材料（如 PVA、HIPS）打印支撐，通過化學溶解去除 | 支撐面光潔度極高，無拆除痕跡 | 需要雙噴頭打印機，材料成本高 | 對表面質量要求極高的零件 |
支撐關鍵參數
| 參數 | 說明 | 建議值 |
|---|---|---|
| 支撐角度閾值 | 超過此角度才生成支撐 | 45°-60°（越小越保守） |
| 支撐密度 | 支撐結構的填充密度 | 10%-20%（過高難拆除） |
| Z 距離 | 支撐頂部與模型底部的間距 | 0.2-0.3mm（約 1-2 層高） |
| XY 距離 | 支撐與模型側面的水平間距 | 0.7-1.0mm |
| 接口層 | 支撐與模型接觸面的特殊處理層 | 可啟用以改善支撐面質量 |
支撐去除方法
- 手動剝離 — 使用尖嘴鉗、鏟刀、手術刀等工具小心剝離支撐。操作時注意施力方向，避免損傷模型表面。[9]
- 溶解去除 — 使用 PVA 支撐材料的模型可浸泡在水中溶解支撐；使用 HIPS 支撐材料的模型可浸泡在檸檬烯（D-Limonene）溶劑中。
- 冷凍輔助 — 將模型放入冰箱或使用冷凍噴霧，使支撐材料因熱脹冷縮而變脆，更容易斷裂去除。
- 打磨處理 — 去除支撐後，可用 400-2000 目砂紙逐步打磨支撐接觸面的痕跡，最後進行拋光。
設計時減少支撐的技巧
- 將懸垂角度控制在 45° 以內
- 使用倒角代替圓角來過渡垂直面
- 將模型分割為多個部件分別打印，再組裝
- 調整模型擺放方向，減少懸垂面積
- 使用橋接設計代替大跨度懸垂
常用材料
| 材料 | 全稱 | 打印溫度 | 熱床溫度 | 特點 | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 聚乳酸 | 190-220°C | 50-60°C | 易打印、環保可降解、成本低、剛性好但韌性一般、不耐高溫（~60°C） | 入門學習、原型展示、教育 |
| ABS | 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 | 230-260°C | 100-110°C | 強度高、耐熱性好、可丙酮蒸汽拋光、打印時有氣味需通風 | 功能件、機械零件、外殼 |
| PETG | 聚對苯二甲酸乙二醇酯 | 220-250°C | 70-80°C | 強度好、耐化學腐蝕、層間粘合強、不易翹邊 | 功能件、戶外用品、容器 |
| TPU | 熱塑性聚氨酯 | 220-250°C | 50-60°C | 彈性好、耐磨、可彎曲變形 | 手機殼、鞋墊、密封件、減震件 |
| PA（尼龍） | 聚酰胺 | 240-270°C | 70-100°C | 高強度、高韌性、耐磨、吸濕性強 | 齒輪、軸承、高強度功能件 |
| ASA | 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯 | 235-255°C | 100-110°C | 類似 ABS 但耐紫外線和耐候性更好 | 戶外使用零件 |
| PC | 聚碳酸酯 | 270-310°C | 100-120°C | 極高強度、高透明度、耐高溫 | 高強度結構件、透明零件 |
| PVA | 聚乙烯醇 | 190-210°C | 60-80°C | 水溶性支撐材料 | 與 PLA 配合使用作可溶性支撐 |
後處理
3D 打印完成後的後處理步驟可顯著提升零件的外觀和性能：
- 取件 — 待模型和熱床完全冷卻後再取下，熱態取件可能導致變形。對於附着力較強的模型，可使用鏟刀輔助。
- 去除支撐 — 按照 支撐去除方法 一節操作。
- 清理毛邊和拉絲 — 用手術刀修剪毛邊，用熱風槍（低溫）或打火機快速掃過表面去除拉絲。
- 打磨 — 從 400 目砂紙開始，逐步使用 800、1200、2000 目，獲得光滑表面。
- 填補與底漆 — 對於需要噴塗的模型，使用膩子填補層紋後噴塗底漆。
- 上色 — 使用丙烯顏料或噴漆進行着色。
- 表面處理 — ABS 可用丙酮蒸汽拋光獲得光滑表面；PLA 可用 THF（四氫呋喃）拋光（需在通風環境中操作）。
- 裝配 — 使用膠水、螺絲、卡扣等方式將多個打印件組裝為成品。
模型資源
以下是常用的 3D 模型分享平台，用戶可免費下載或分享打印模型：
- Thingiverse — 最大的免費 3D 模型社區之一
- Printables — Prusa Research 旗下的模型分享平台
- MakerWorld — 拓竹官方模型平台，與 Bambu Studio 深度集成
- MyMiniFactory — 經過質量審核的 3D 模型平台
參考資料
- ↑ 1.0 1.1 ISO/ASTM 52900:2021 — Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary
- ↑ 3D Systems 官網
- ↑ Stratasys 官網
- ↑ Hubs — What is FDM 3D Printing?
- ↑ Formlabs — SLA 3D 打印
- ↑ Materialise — 增材製造服務
- ↑ Bambu Lab Wiki — Bambu Studio Quick Start
- ↑ Bambu Lab Wiki — Knowledge Sharing
- ↑ 拓竹 Wiki — Bambu Studio 入門
- ↑ Bambu Lab Wiki — Filaments
- ↑ Bambu Lab Wiki — Filament Guide for Beginners
- ↑ Bambu Lab Wiki — FAQ
外部連結
- 拓竹 Wiki（Bambu Lab Wiki） — 包含 3D 打印入門、切片軟件教程、材料指南等豐富內容
- Ultimaker Cura — 開源切片軟件，支持 400+ 種打印機
- Simplify3D Print Quality Guide — 打印質量問題排查指南
- Hubs — What is FDM 3D Printing? — FDM 技術詳解
- ISO/ASTM 52900:2021 — 增材製造國際標準
- Stratasys — FDM 技術發明者，工業級 3D 打印領導者
- 3D Systems — SLA 技術發明者
- Formlabs — 桌面級 SLA/SLS 打印機製造商
- Materialise — 增材製造軟件與服務提供商
- Prusa Research — 開源 3D 打印機與切片軟件
- Creality（創想三維） — 消費級 3D 打印機製造商
- Raise3D — 專業級 FDM 打印機製造商