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此篇文章主要是針對(duì)剛?cè)腴T(mén)的3D打印從業(yè)者，以及其他行業(yè)的3D打印愛(ài)好者 。為了讓大家更容易的了解什么是3d打印機(jī)，它的工作原理是什么，都有哪幾種3d打印機(jī)。希望給大家看完后，也會(huì)發(fā)出3D打印“原來(lái)如此”的感嘆。

 

其實(shí)，3d打印機(jī)雖然品牌眾多五花八門(mén)，但是本質(zhì)上的工作原理是一樣的，那到底是個(gè)什么工作原理呢。

既然是打印，我們先來(lái)看一看傳統(tǒng)的打印機(jī)，在紙張上打印的噴墨打印機(jī)

 

紙張打印機(jī)

 

紙張打印機(jī)打印的是平面的圖像，而數(shù)碼圖像也就是我們放大之后看到的一個(gè)個(gè)純顏色的“像素”點(diǎn)拼合成的玩意，這東西可以看成是用每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記一個(gè)顏色值作為存儲(chǔ)。

 

 

像素

密集恐懼癥請(qǐng)迅速下翻。

那么這樣就很好理解了，如果我們能搞出個(gè)“噴頭”，能夠在一個(gè)平面上自由移動(dòng)，在這個(gè)坐標(biāo)系噴射出應(yīng)有的像素，不就完成了打印工作了么。

 

 平面直角坐標(biāo)系

 

所以這種玩意就出現(xiàn)了，為了大家看得更明白，建模的時(shí)候做了一定的簡(jiǎn)化。

 

 噴墨打印機(jī)最直白的工作原理

 

首先我們最需要的東西就是這個(gè)噴頭，它需要一個(gè)一個(gè)的噴“像素”，好的，我們看下噴頭一般是怎么回事。

 

噴墨打印機(jī)的噴頭

 

這個(gè)紙可以被一個(gè)滾輪帶下來(lái)，也就是完成了Y軸的移動(dòng)，中間的那位靈動(dòng)的小噴頭左右移動(dòng)，也就等于完成了X軸的移動(dòng)，那么這樣一來(lái)，一個(gè)平面的圖片就被打印出來(lái)了。但是中間的小噴頭是靠什么移動(dòng)的呢。

 

 同步帶（齒帶）

 

對(duì)，這個(gè)就是學(xué)名叫同步帶我們一般叫做齒帶的東西，這個(gè)東西一旦和齒輪配合，就可以做到自由的進(jìn)行傳動(dòng)，也就是說(shuō)一般來(lái)說(shuō)，像打印機(jī)這種很靈敏的設(shè)備，一般都需要齒帶作為傳動(dòng)裝置。

有人說(shuō)你說(shuō)這么多廢話(huà)干嘛，我要聽(tīng)的是3d打印。稍安勿躁，我們看下，平面打印的載體是紙，那么我們可是要打印立體的東西啊，平面打印用的是噴出來(lái)的“顏料”，那么3d打印就一定要用實(shí)實(shí)在在的材料啊。

好的，法寶來(lái)了。

 

一般3d打印常用的“線(xiàn)料”

 

也就是說(shuō)我們常見(jiàn)的3d打印機(jī)里，打印的材料從墨汁換成了“熱塑性塑料”，什么叫熱塑性塑料呢，這種塑料一旦加熱就變得軟塌塌的熔融狀態(tài)，但是一旦冷卻又恢復(fù)原樣?，F(xiàn)在見(jiàn)的3d打印材料主要是ABS和PLA，ABS是個(gè)極其常見(jiàn)的合成塑料了，本質(zhì)是A（丙烯睛）、B（丁二烯）、S（苯乙烯），算了忘了就好。PLA又叫聚乳酸，這東西熔點(diǎn)很低，基本在185°C就可以熔融加工，所以也就是見(jiàn)的打印材料了，至于為什么這材料是和毛線(xiàn)一樣的線(xiàn)材，其實(shí)很簡(jiǎn)單，你要是把一把塑料（粒料）放在灼熱的噴頭里，不出兩分鐘就會(huì)堵死，這線(xiàn)材才是“細(xì)水長(zhǎng)流”。

好了，材料也有了，就差載體了，那好啊，我們就來(lái)加個(gè)小鋼板吧。

 

我在建模的時(shí)候，直接在上圖里加上了這么一個(gè)小鋼板，當(dāng)然了小鋼板就不能像紙那樣被滾輪送下去了，所以我們?cè)谛′摪宓南旅嬉布由弦粋€(gè)“同步帶”，進(jìn)行Y軸的傳動(dòng)。

這下好了，平臺(tái)建立好了，X軸和Y軸都可以自由移動(dòng)，小噴頭可以自由的達(dá)到小鋼板的任何一個(gè)位置了。

那么打印立體的要素就差一個(gè)了吧，那就是Z軸。

 

空間直角坐標(biāo)系

 

Z軸來(lái)了，也就是上圖的螺旋狀杠子

 

我們?cè)诳梢栽赬軸來(lái)回移動(dòng)的噴頭組合體上，加入了一個(gè)機(jī)械中的“法寶”，那就是“絲杠”。

絲杠這東西，我們也可以理解為就是個(gè)大螺絲，和絲杠配合的地方是個(gè)螺母，這絲杠一旦被電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，那么那個(gè)噴頭就會(huì)自由的上下移動(dòng)了。

這下好了，我們的噴頭已經(jīng)不是個(gè)普通的噴頭了，它已經(jīng)是一個(gè)可以在空間中隨意移動(dòng)的噴頭了。我們看下效果圖。

 

 

其實(shí)這就是3d打印機(jī)的基本傳動(dòng)構(gòu)造了，并不是很復(fù)雜，本質(zhì)上只是一個(gè)能在三個(gè)軸自由移動(dòng)的噴頭而已。

好了，現(xiàn)在我們裝上（原材料），看看這東西是怎么工作的。

 

荷槍實(shí)彈的3d打印機(jī)

 

我們發(fā)現(xiàn)，所謂3d打印，本質(zhì)上也就是把熱塑性塑料熔化，然后再?lài)婎^處噴出更細(xì)的“絲線(xiàn)”，然后一層一層的向上噴，一層一層的向上疊加，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，3d打印僅僅是組合了一層一層的“平面”，使之變?yōu)榱Ⅲw。

 

 用軟件模仿了下3d打印的原理

 

上圖是用低精度3d打印機(jī)打印出來(lái)的幾個(gè)物件，可以明顯的看出分層疊加和一縷一縷的支撐線(xiàn)，但是在很多情況下這種精度已經(jīng)綽綽有余了。

我們都知道如果打印一個(gè)平面圖片，一般搞一個(gè)JPG的圖片就好了，那么在3d打印中，我們平時(shí)都是用什么“文件”來(lái)進(jìn)行打印的呢。

 

其實(shí)大家剛才看到的那個(gè)泛著金屬光的打印機(jī)，就是用這個(gè)東西渲染出來(lái)的

 

這個(gè)是一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)和建筑中都很常用的軟件——犀牛（rhino），當(dāng)然了比較常用的還有solidworks這種零件制造和裝配為特長(zhǎng)的建模軟件。這兩個(gè)算是比較偏工科的建模軟件，如果是藝術(shù)性更強(qiáng)一點(diǎn)的還有大家熟知的3dmax和瑪雅等建模軟件，雖然這些軟件的建模原理并不相同，但是核心也無(wú)非就是以面成體，這世界上所有的“體”，本質(zhì)上都是由面來(lái)“堆積”出來(lái)的，所以建模軟件的工作模式也是如此，幾乎的建模軟件都有一個(gè)最基本的口令，那就是——擠出。

 

用一個(gè)面在Y軸拉伸所形成的擠出過(guò)程

復(fù)雜一點(diǎn)的solidworks的裝配零件

 

所以說(shuō)要想完成一個(gè)差不多的3d打印作品，首先還是要解決建模這一關(guān)的。

 

那么無(wú)論是犀牛的3dm格式，還是3dmax 的max格式，或者是directX模式等等，我們都可以用各自的軟件將其保存為STL模式，也就是適用于3D打印的模式。

 

 3d打印的常用格式STL

 

好了，那么下一步就是把STL模式的文件導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)軟件中，我們就可以開(kāi)始打印了。

 

PLA打印的低精度3d打印的驅(qū)動(dòng)軟件

我們可以看到上面打印時(shí)的各種參數(shù)，當(dāng)然還有一開(kāi)始我講的，我們可以用上面的圓盤(pán)來(lái)調(diào)試X、Y、Z軸的移動(dòng)，用下面的按鈕控制溫度。

 

打印開(kāi)始

其實(shí)這個(gè)已經(jīng)是結(jié)束時(shí)候的樣子了，我們可以用這個(gè)實(shí)物圖看看3d打印機(jī)的內(nèi)部，其實(shí)和我一開(kāi)始的建模圖差不多，但是可能看起來(lái)亂七八糟的線(xiàn)更多一些。

好了，上面就是最基本的低精度3d打印機(jī)的工作原理和工作流程了。

但是別著急，還沒(méi)完，我們?cè)賮?lái)看一看這世界上其他模式的高精度3d打印機(jī)。就像我們熟知的，現(xiàn)在的平面打印機(jī)，除了噴墨以外，還有著激光打印機(jī)，靜電打印機(jī)等等，那么3d打印機(jī)也一樣，但是別看名字叫的花里胡哨，其實(shí)本質(zhì)上的工作原理還是我剛才說(shuō)的那樣。

我們還是先說(shuō)下平面的打印機(jī)。

比如平面的激光打印機(jī)，本質(zhì)上就是將光束“圖像”通過(guò)“硒鼓”轉(zhuǎn)化成靜電“圖像”，然后將一整片墨粉有選擇的“固化”，然后轉(zhuǎn)印到紙張上。

 

平面激光打印機(jī)工作原理

其實(shí)不琢磨這個(gè)也可以，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是一個(gè)是噴頭自由移動(dòng)噴墨固化，一個(gè)是激光靜電在一大片墨粉的海洋里有選擇的固化。

所以其實(shí)除了上面說(shuō)的，分層使用熱塑性塑料的3d打印機(jī)，還有一種和平面激光打印機(jī)原理很相似的高精度3d打印機(jī)。

我們對(duì)這種打印機(jī)還有個(gè)名稱(chēng)，叫做SLA。

我們知道墻面說(shuō)的熱塑性塑料其實(shí)還有個(gè)小伙伴，叫做“熱固性塑料”，也就是說(shuō)這種塑料在平時(shí)狀態(tài)很可能就是液體，一旦經(jīng)過(guò)高溫或者強(qiáng)光亦或者是催化劑的作用，就和點(diǎn)豆腐一樣的凝固，并且這種塑料不可再次熱塑利用，也就是說(shuō)一生只能保持一個(gè)形狀了。

 

SLA3d打印機(jī)

我們可以看出來(lái)，這種打印機(jī)是以激光束有選擇的凝固熱固性塑料的“海洋”，進(jìn)行精度更高的打印，但是本質(zhì)上的工作原理仍然是先X、Y形成平面然后Z軸一層層疊加打印的模式。

當(dāng)然了還有和這種打印機(jī)工作原理非常類(lèi)似的SLS（Selective Laser Sintering）3d打印機(jī)，這種打印機(jī)的打印模式又叫——選擇性激光燒結(jié)。

 

 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

 

這是一種精度的3d打印，只不過(guò)是把上面的液體換成了粉末材料，通過(guò)激光對(duì)粉末的海洋進(jìn)行選擇性的熔融，其實(shí)有點(diǎn)類(lèi)似平面的激光打印機(jī)，但是3d造型的本質(zhì)仍然是上面所說(shuō)的模式。SLS的打印模式已經(jīng)可以應(yīng)用于金屬3d打印上了，算是3d打印中的一個(gè)極大的進(jìn)步。

 

采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)打印的金屬

好了給大家展示下上面說(shuō)的高精度3d打印機(jī)的作品吧

 

用高精度3d打印機(jī)打印的solidworks零件

 

 

這種材質(zhì)所打印出來(lái)的彈簧還具有彈性，這種精度也可以應(yīng)付一些醫(yī)療器械了。

 

高精度模型

 

以上即是3D打印機(jī)類(lèi)型及工作原理，不知道是否看明白了。

其實(shí)對(duì)于3d打印，有一句話(huà)叫做——19世紀(jì)的構(gòu)想，20世紀(jì)的基礎(chǔ)技術(shù)，21世紀(jì)的市場(chǎng)?？梢哉f(shuō)在工業(yè)設(shè)計(jì)逐漸進(jìn)步以及建模軟件花樣翻新的今天，3d打印對(duì)于復(fù)雜造型的量產(chǎn)和個(gè)性化定制以及高分子材料加工都有著不可估量的空間，21世紀(jì)的3d打印仍然還會(huì)飛速的發(fā)展，在一代一代的設(shè)計(jì)者和制造者的努力下，我相信3d打印真的可以，改變這個(gè)世界。

 

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