3D打印工作原理

1、3D打印工作原理及操作步骤3D打印机正如其名，是一种能够打印出 3D实体的机器。如我们 普通的打印机一样，能够在纸面上打印出任意形状的画面。理想的 3D 打印机能够在 3 维空间中打印出任意形状的实体模型，能够不受 构造工艺限制， 直接将零件的 3 维数据资料打印成实体零件。 这样一 个机器，对于机械设计者而言是一个不折不扣的神器。在传统的机械设计程序上， 一个零件需要由设计者设计完成， 并 绘制好 2维图纸通常是 3视图的形式， 并且有些细节部位还需要追 加详细图。然后把这个零件的图纸交给机械工艺师，机械工艺师会 根据你的零件图纸排列加工制造工序， 再然后工人会按照机械工艺师 设计安排的工序

2、来制造零件。 通常这个流程还不能一次性完成。 机械 设计者设计的零件可能会有局部构造不容易加工制造， 机械工艺师会 将信息反应给机械设计师，机械设计师再修改图纸。而一旦有了 3D 打印机，整个流程就简化了。设计者设计完成零件后，就可以直接制 造。不需要绘制 3视图，不需要细节描述的详细图，不需要工艺师的 编排工序，不需要工人加班，而且极少有构造工艺限制，只需要 3 维 数据。简单的说， 3D 打印机的出现，让电子数据与看得见摸的着的零 件更严密结合了。 能极大的提高设计效率。 目前市场上已经出现普通 市民能够购置的家用3D打印机。这些3D打印机通常都是熔融沉积式 FDM的3D打印机。我这篇文章

3、也准备对我使用了半年多的这类打 印机做一个总结本文分为两个局部，第一局部将为简要介绍 FDM式 3D打印机的 工作原理，第二局部介绍打印机的硬件和软件操作。第一局部：FDM式 3D打印机原理简介任何 3 维物体都可以看成是由一个个面堆叠累积而成的。 就像宝 塔一样，是由一层一层的楼堆起来的。比方说，一个球形物体，就可 以看成是由一个个厚度很小直径不同的圆柱堆在一起形成的。 对于任 何一个物体，都可以看成是由一个个厚度很小的菱形物体堆起来的。 如果引用数学中的概念， 那么就是， 当这些菱形的厚度趋近于无穷小 的时候，这个堆砌起来的实体与目标实体就是完全一致的。 遗憾的是， 现实中任何物体都是有厚

4、度的。可是我们可以把这个厚度做到很小， 小到我们能容忍的误差以下，就够了。FDM式的3D打印机就是利用这个原理，将任意一个三维数据实 体，切割成一个个面来分析。 那么理论上只要这台打印机能够实现打 印出任意形状的面， 它就可以打印出任意形状的物体了 不考虑重力 对构造的限制因素。所以FDM式的3D打印机有一个喷嘴，它能够稳定连续的喷出直 径一定的塑料或者其他热融性的材料。这个喷嘴一般由步进电机 来控制移动。就像我们捏牙膏一样，我们一边用力捏牙膏，一边移动 牙膏，就可以把牙膏在牙刷上涂一条直线出来。3D打印机的原理就和我们捏牙膏是一模一样的，只是它的运动由 3D实体数据来控制， 而且喷出来的材料

5、是稳定的， 它一边喷一边按照特定的方式移动。 这 样它就可以打印出特定的形状来了。 等热融性的材料冷却下来， 这个 实体就定形了。那么我们怎么从手头一无所有，到打印出一个实体呢？世界上3d设计软件千奇百怪，我们怎么把自己设计的 3维实体做成能够被 打印机应用的数据呢？这里一定要感世界上的开源组织和标准化组织 通常是行业的龙 头老大。是他们让我们虽然使用不同的软件，但是我们仍然可以用 同样的数据来交流。所有的3D模型都可以导出同样格式的数据，比 方说 stl ， x_t ， step 等等格式。还有控制机床运动的加工语言： G 语言。因为这些标准的存在，让我们整个流程可以走得更顺畅。从技术实现角

6、度来看，要实现 FDM式 3D打印机，就只需要实现以下 三个技术：1、能够将 3 维数据格式如： stl,x_t,step 解析成机械加工 的G语言。正如前文所说，这一个步骤实质上就是生成“捏牙膏的方 法。在这个步骤里， 3维数据被解析成一层层面，面被解析成一条 条线。线被解析成一条条的G代码。这里的解析方法可以有开源社区 提供。比拟知名的有 replicatorg 工程。这里也稍微简介一下G代码：G代码是用来控制机械加工刀具喷 嘴运动的代码。比方说，让刀具喷嘴从当前这个点以最快速方 法运动到 0， 0， 10这个坐标点。其代码就是 G90G00 X0 Y0Z10。 这条代码中，G90表示后面

7、的坐标使用绝对坐标格式，G00表示快速 移动操作，X0表示目的坐标的X轴坐标为0, Y0表示目的坐标的Y 轴坐标为0, Z10表示目的坐标的Z轴坐标为10。当然G代码不仅仅 只有这一条指令。这里只是举个例子来说明 G代码的功能。2、能够解析G代码的机器。通过第1个技术手段，我们有G代 码。接下来就需要一台能够“读懂 G代码的机器。要实现G代码的 机器,技术关键在插补算法。 所谓的插补算法实际上就是让刀具能够 准确的按照指令走。 为了说明插补算法的功能, 这里再介绍一条简单 的G代码：G90G01 X10 Y10 Z10 F100。这条代码中，G90表示采用 绝对坐标格式，G01表示直线运动，X

8、0Y0 Z10表示目的坐标为10, 10,10F100表示移动速度为100个单位每分钟单位可通过G20/G21 指令来设置成毫米 /英寸。要控制刀具喷嘴走直线就和简单的 控制刀具移动到目的地不一样的了。 它不仅仅要控制结果， 还要控制 过程。它需要刀具 喷嘴在三个坐标轴上的速度的合速度能够一直 在指定的直线上。当然更复杂一点的，还要求插补算法能够实现G语 言的G02 G03指令。这两条指令是控制刀具喷嘴画逆时针 / 顺时针圆。简单的说，需要有台机器，能够严格的实现 G代码的指令。能够 读了 G代码后，再控制电机通常是步进电机来实现刀具喷嘴 的运动。3、能够稳定喷材料的喷嘴。事实上，这是从物理上

9、实现3D打印 的关键技术。市场上常见的喷嘴是由带尖的金属喷嘴,热传感器,加 热电阻和一个步进电机组成的。 加热电阻和热传感器用来控制金属喷嘴的温度。步进电机用来提供材料的进给。喷嘴口的直径很有讲究。它喷出来的材料直径直接影响到打印精度每一层的厚度。4、介绍到这里，FDM式 3D打印机已经差不多了。它不复杂，实 现上述三个技术，就可以做出一台 3D打印机。但是，这里不得不提 出工程上的一个观点： 做出一个东西和做好一个东西是完全不同的概 念。一个好的机器，一定是集成各种优化设计于一体的机器。它的关 键构造都要么是经历丰富的设计人员总结而设计的， 要么是经历不丰 富的设计人员通过严格的计算校和做出

10、来的。拥有了以上三项技术， 或许你可以制作一台3D打印机，但不一定能做好一台3D打印机。第二局部：FDM式 3D打印机的硬件和软件操作任何一台机器都有它们自己的“脾气。一台机器对于一个工 人，就如一杆枪对于一个士兵一样。 一个优秀的狙击手能做到枪人合 一，就是充分的了解了手中这把枪。枪也是机器，虽然这些枪有着同 样的型号，但是细节都不会一模一样的。 对于追求精度的狙击手而言， 这些小细节都特别重要。同样，对于 3D打印机这样追求精度至少应 该在零点几毫米一下的机器而言， 也需要操作它的人注意各种细节问 题。下面先从3D打印机的硬件说起。1、温度控制FDM式 3D打印机使用的是热融性材料。那么对

11、于温度的控制就 有要求。一般，加工平台和材料喷嘴这两个地方都需要由加热电阻和温度传感器来控制温度。 一般采用 PID 控制算法来获取更好的温度控 制性能。局部的3D打印机制造商还允许你通过软件来修改温度控制 的PID参数。增加P参数来获得更短的加热时间，但是却增加了温度 调节的超调量；提高I参数来消除稳态误差，增加稳定度；增加 D参 数来减少超调量，但是也同时减低了稳定度。关于 PID算法，这里就 不详细介绍了。下面重点介绍温度控制对 3D打印机工作的影响。喷嘴的温度控制是以融化材料为目的的。 这里的温度不能低， 低 温会使材料不能完全融化，喷出受到阻碍，从而影响机器寿命。过高 的温度会使材料

12、融解喷出后仍然具有较大的流动性， 从而在喷出后无 法定型。适宜的温度是根据材料而定的，比方一般PLA材料的最正确 温度就在 190 摄氏度左右。位于加热平台的加热控制器也十分重要。 有些材料在被喷出后，由于极速冷却，发生热胀冷缩的效应。尤其是 在铺平台边沿的局部最明显， 这些位置的材料会应为热胀冷缩的效应 而向上卷起来。发生卷边的现象。为了应对卷边，工程师们用了 3种 方法来应对它。其中一种， 就是对平台进展温度控制剩余两种后面 再一一介绍。 让材料在喷出来后不立刻冷却，这样就可以减缓卷边 现象。2、工作平台对于3D打印机而言，除了喷嘴，第二重要的就是工作平台了。工作平台的平面度和高度都是硬性

13、要求。执行 3D打印工作时的 第一层平面至关重要。 这一层平面必须完整的铺在工作平台上。 而平 台的外表必须要与喷嘴在刚刚开场工作时， 有一个适宜的高度。 这个 高度太高了会使材料无常的粘附在平台外表。 太低了，就会让材料变 形。一般3D打印时机有配有传感器。通过传感器来调整这个高度。 可是，一台机器在刚刚装配的时候， 这个传感器的位置可能会发生偏 移。为了纠正这个可能在装配机器时发生的误差， 我们有两种方法来 修正它。第一，是从硬件上调整传感器的位置。第二，是从软件上修 改3D打印机的Z轴偏移量。工作台的平面度如果不好，就会出现打 印工作时无法保证所有地方都有适宜高度。通常的 3D打印时机有

14、四 个调节螺丝来调节工作平台的水平度。 在使用之前必须要做的就是调 节工作平面让它水平。但是，如果真是出现了工作台平面度差，无法 修正，是不是就没有方法了呢？平面度好，固然是最好，如果强求不 来，工程师们也想出了应对方法。 这个应对方法将在后面的软件局部 介绍。工作平台的外表材料也十分重要， 工作平台的外表与刚刚被喷出 来的材料接触。 这就要求工作台的外表至少能够耐住材料温度， 同时 它还能粘住材料因为打印机工作的时候被喷出来的成形的局部可能 会因为喷嘴或者平台的移动而发生移动从而导致前功尽弃！。不仅 如此，由于前面温度控制提到过的， 工作平台还需要有一定的导热性。3、步进电机步进电机是驱动部

15、件， 一般打印机在出产的时候就会设定好它的 脉冲宽度等等。 这些参数根本上能够保证电机稳态运行时的工作。 可 是，这里要着重提到的一点，3D打印机对步进电机的动态特性也有 硬性要求。喷头的运动，在很多情况下，需要快速响应。这里简单提 一下动态特性。 我们从小到大接触过很多物理运动问题。 这里物理运 动都十分的理想。要么就直接匀速运动，要么就直接加速运动。对于 受力问题， 给一个物体施加一个作用力， 那么这个物体就立刻受到了 力的作用。事实上，这些东西，在现实生活中都不存在。一个物体要 有一个速度， 它都需要有一个速度动态变化的过程。 一个物体要受到 一个 10牛顿的力，在你给与它 10牛顿的力

16、后， 它也不会立刻就受到 这么大的力。 物体的受力也有变化过程， 如果你直接用力去推一个物 体，宏观上首先发生的事情是你的手掌与物体被压缩。 在被压缩的过 程种，物体受到的力会渐渐的越来越大，到后来还会发生振荡。这也 是个动态的变化过程。 那么再回到步进电机的问题， 在你给出步进电 机的脉冲频率后， 它不会立刻按照这个频率来工作， 它也会有一个动 态的变化过程。在控制学上，用调节时间，超调量，稳态误差，稳定 度这四个量来评价控制过程。 这里不再详细说明更多的控制学上的概 念。对于当前的问题，我们只需要理解，3D打印机的步进电机可能 会因为无法快速到达要求的速度，而影响它正常工作。上文提到过防止

17、卷边有三种方法，这里将要提到的第二种方法 改善步进电机的动态性能。 给材料提供进给速度的步进电机动态 性能不好， 材料在刚刚喷出来的速度太小， 会影响材料与工作平面的 粘合性。从而会发生卷边， 漂移等等。控制喷嘴或者平台运动的电机 动态性能不好，会使喷嘴在做快速运动时，无法快速到达目标速度， 从而发生喷出来的丝被拉动的现象。要改善步进电机的动态性能有至少以下 2种方法： 1，调节步进 电机的电流。一些3D打印机厂家会提供电流调节旋钮，或者，有些 厂家会提供软件来修改步进电机的脉冲宽度。 另外提一下，过高的电 流也不行，会使电机发热加快，影响电机寿命，而且还会发生很大的 噪音和失步。 2，降低步

18、进电机的运动速度。速度太高，调节时间太 长，那我们把要求减低一点也可以。3D打印机的硬件操作还包括一些细节，比方说每次工作前要擦 拭工作平台外表的灰尘等等。这些工作看起来不起眼，但你不做，可 能会导致整个工程的失败。 工程作业是严谨的， 虽然我们永远无法做 出完美的工程，但你必须尽可能做到完美。硬件问题告一段落，下面介绍 FDM式 3D打印机的软件操作。3D打印机要使用的软件分开两个局部，其中一局部在上位机，用来实现上文提到的将3维数据模型解析成G代码。另外一局部位于 3D打印机的芯片中。值得一提的是，这两个软件都可以找到开源资 源。甚至，位于打印机上的硬件也可以使用 Arduino 开源硬件

19、资源。 也就是说， 只要你有兴趣， 你可以做出专属于自己的世界上独一无二 的3D打印机。这也是3D打印机的魅力之一。位于芯片上程序这里不 再多提。绝大多数情况下， 对于使用者而言，不需要考虑重写芯片上 的代码。所以，下面着重介绍位于上位机上的软件使用。可以使用的软件有多种， 比方 slic3r ， printrun 和 replicatorg 等。这些软件中 slic3r 是专门用于完成 3 维模型转化的， printrun 用来与机器通讯的， 而 replicatorg 那么是一个集成的软件。 当然他 们针对的机器也略有不同， replicatorg 可以用在很多种机器上面， 功能非常强大。

20、 要让软件去正确地完成它自己的工作， 你需要告诉它 一些关于机器的参数。比方说，材料的直径，材料需要的加热温度， 进给速度等等。1、参数设置 你需要设置比拟重要的参数有：材料原始直径，材料喷出直径， 喷嘴温度，工作平台温度，座标轴的运动速度，材料进给速度，每一 层的高度，材料的填充百分比，边界层数。下面一一介绍这些参数的 作用和设定方法。材料原始直径指的是材料在没有加热时， 进入加热喷嘴之前的直 径。这个参数一定要尽可能设置得与实际数值吻合。 因为它将和另外 一个参数，材料的喷出直接，共同决定材料进给量的计算参数。比方 说，原始直径是喷出直径的 3 倍，那么喷出口的喷出长度就是进去入 口进入长

21、度的 3 倍。材料的喷出直径，在上一段已经介绍。喷嘴温度是材料挤压出口时的温度。 这个温度的重要性， 在硬件 介绍的局部已经提过。 它需要根据使用的材料而定。 判断标准是材料 能够顺利被挤压出喷头，而且能够很好的在工作平面上成型。工作平台的温度是用来固定铺在工作平台上材料的。 如果发生卷 边现象，可以尝试增加这个参数，来提高温度。坐标轴的运动速度实际上是个比拟复杂的参数。 喷头的运动有好 几种运动方式。比方说，在一边喷材料一边移动时的速度。不喷材料 仅仅是喷嘴移动时的移动运动速度。飞线底下是空的，没有支撑材 料，像是架桥。比方打印一个空心盒子时，打印其顶面。时的运动 速度。除此之外，你还可以设

22、置成让它在打印第一层的时候的速度和 打印其他层时候的速度不同打印第一层时太特殊，太关键，是成败 的关键。速度设置得太高，可能会因为电机的动态性能跟不上，而 发生打印出来的丝条无法固定的现象。 速度设置得太低， 就会浪费时 间。一般情况下，3D打印机厂家会给出一边喷材料和一边移动时速 度的一个推荐值。当你发现，采用这个推荐值，打印过程总出现丝条 移动，而喷头高度又适宜时，你就需要减低这个推荐值了。至于其他 的速度，软件部会有一个算法来根据这个速度来生成。当然，你觉得 其他速度也需要修改时，请一定要在软件中修改。材料进给速度会根据前文所述喷头在一边喷材料一边移动的速度有关联。喷头移动得越快，这个进

23、给速度也快。所以反过来，喷材 料的进给速度也会影响喷头的运动速度。这两个速度是耦合的。每一层的高度， 这是一个至关重要的参数。 它必须尽可能的与现 实相吻合。一般它略小于喷头口的直径。而且，这个参数还可以做多 样化设定。你可以设定成第一层和其他层的高度不一样。 还是那个 理由，第一层很特殊，它直接铺在工作平台上，容易出问题，而其他 层是铺在材料本身上材料的填充百分比指的是填充实心物体时， 材料所占体积的百分 比。在我们打印一个实心体积比拟大的物体时。比方你想打印一个 100x100x100mm勺立方体。如果全部是实心的话，会非常的浪费材料。通常我们没有必要让它成为实心。 我们可以通过一个算法，

24、 用一种类似与蜂窝的构造来填充实心局部。这就是 3D打印机节省材料的一个 关键。这个参数就可以设置在算法生成时， 采用节省多少体积的构造。 这里我们需要注意，省材料的同时也会导致材料的强度下降。所以， 在强度要求较高的场合，请不要过于节省材料。边界层数这个参数是紧随填充百分比这个参数而定义的。 在给实 心物体生成填充构造时， 我们可以设置包围这些填充构造的层数。 就 像是蜂窝的外壳一样。 设置外壳的层数越多， 打印出来的部件强度就 越高。所以你可以选择增加这个参数来提高零件的强度。当然你还可以配置更多的参数，来控制 3D打印机G代码生成方 式。你甚至可以在生成G代码后，参加自己特定G代码。比方