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 结构工艺限制，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 计安排的工序来制造零件.通常这个

2、流程还不能一次性完成。机械设 计者设计的零件可能会有部分结构不容易加工制造，机械工艺师会将 信息反馈给机械设计师，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，而且极少有结构工艺限制，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 更紧密结合了。能极大的提高设计效率。目前市场上已经出现普通市 民能够购买的家用3D打印机。这些3D打印机通常都是熔融沉积式 （FDM白3D打印机。我这篇文章也准备对我使用了半年多的这类打 印机做一个总

3、结。本文分为两个部分，第一部分将为简要介绍 FD帆3D打印机的 工作原理，第二部分介绍打印机的硬件和软件操作 .第一部分：FD赋3D打印机原理简介任彳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。比如说，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

4、下，就够了。FD帆的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 对结构的限制因素）。所以FD帆的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

5、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？这里一定要感谢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， 比如说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。从技术实现角度来看，要实现FD帧3D打印机，就只需要实现以下三 个技术：1、能够将3维数据

6、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。比较出名的有replicatorg 项目。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。比如说，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,

7、 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精确的 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，X0Y0Z10BS示目的坐标为（10, 10, 10）,F100表示移动速度为100个单

8、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

9、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。 它的关键结 构都要么是经验丰富的设计人员总结而设计的，要么是经验不丰富的 设计人员通过严格的计算校和做出来的。 拥有了以上三项技术，或许 你可以制作一台3D打

10、印机，但不一定能做好一台3D打印机.第二部分：FD赋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FD帆3D打印机使用的是热融性材料.那么对于温度的控制就有 要求。一般，加工平台和材料喷嘴这两个地方都需

11、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.部分的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。合适的温度是根据材

12、料而定的，比如一般PLA材料的最佳温 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 平台边沿的部分最明显，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，就是对平台进行温度控制（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

13、上.而平 台的表面必须要与喷嘴在刚刚开始工作时，有一个合适的高度。这个高度太高了会使材料无法正常的粘附在平台表面。 太低了，就会让材 料变形。一般3D打印机会有配有传感器.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合适高度.通常的3D打印机会有 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

14、，如果真是出现了工作台平面度差，无 法修正，是不是就没有办法了呢？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办法。这个应对办法将在后面的软件部分 介绍.工作平台的表面材料也十分重要，工作平台的表面与刚刚被喷出来的材料接触。这就要求工作台的表面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部分可能 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.这些参数基本上能够保证电机稳态运行时的工作

15、。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

16、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 因为无法快速达到要求的速度，而影响它正常工作.上文提到过防止卷边有三种方法，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

17、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，无法快速达到目标速度， 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，比如说每次工作前要擦拭 工作平台表面的灰尘等

18、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FD帆3D打印机的软件操作.3D打印机要使用的软件分开两个部分，其中一部分在上位机 ，用来实现上文提到的将3维数据模型解析成G代码.另外一部分位于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

19、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，比如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 则是一个集成的软件。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。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。比如说，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较重要的参数有：材料原始直径，材料喷出直径， 喷嘴温度，工作

20、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。比如说, 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 介绍的部分已经提过。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

21、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较复杂的参数.喷头的运动有好 几种运动方式.比如说，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。比如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

22、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， 而喷头高度又合适时，你就需要减低这个推荐值了 .至于其他的速度，软件内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

23、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较大的物体时.比如你想打印一个 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，用一种类 似与蜂窝的结构来填充实心部分。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结构. 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 心物体生成填充结构时，我们可以设置包围这些填充结构的层数。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，加入自己特定G