從零開(kāi)始了解3D打印

傳說(shuō)中女?huà)z以自己為模特,，用黃土造人。先是一個(gè)個(gè)地捏,，然而捏了很長(zhǎng)時(shí)間后她發(fā)現(xiàn)這樣難以讓人類(lèi)快速遍布世界,。想想也是,，我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的算術(shù)題,，就算是5分鐘捏一個(gè),，要捏出當(dāng)今世界的70億人的話，那得……6600多年,，中華文化上下5000年,，也就是到今兒女?huà)z還在捏呢。于是女?huà)z很聰明地拿了條繩子（一說(shuō)藤條）,，粘上黃泥一甩,，嘩！一下子就造出一大片人了,。

我們大多數(shù)人其實(shí)都是“3D打印”來(lái)的

當(dāng)然，這只是一個(gè)神話傳說(shuō),，但是人類(lèi)自打有了手藝這天開(kāi)始就憧憬這么一條甩之就能成型的繩子,。當(dāng)然，上萬(wàn)年以來(lái)人類(lèi)也就只能想想,，直到我們有了科學(xué),，制造了機(jī)械，有了電,，最后到了今天我們有了3D打印,。
3D打印的前身是快速原型制造，在上世紀(jì)80年代已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程�,，F(xiàn)在通用的各3D打印技術(shù),，在當(dāng)時(shí)基本上都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。反而3D打印這名字來(lái)得晚,，直到1995年麻省理工學(xué)院的兩名畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson才第一次提出了“3D打印”的概念,。

他們之所以要將這個(gè)技術(shù)命名為“3D打印”，除了其樣機(jī)的概念就是像打印文件一樣制造產(chǎn)品,，同時(shí)也是期望這項(xiàng)技術(shù)最終能像打印機(jī)一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù),。



原理和分類(lèi)
3D打印技術(shù)雖然有好多種,，但思路都是一樣的，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做“分布式材料制造”,。舉個(gè)大家都容易看懂的例子：一個(gè)人做一個(gè)柜子那是需要很長(zhǎng)時(shí)間,，想要加快的話那就得增加人手，但若人數(shù)固定的話還有什么辦法加快制造速度呢,？那就是做一堆積木,，然后找個(gè)人將積木按照一定的形狀堆積起來(lái)再一粘就是了——前提是能看懂說(shuō)明書(shū)。

分布式材料制造就是這樣將要生產(chǎn)的產(chǎn)品分割成一個(gè)個(gè)小部分,，分別制造出來(lái)然后堆積在一起,。只不過(guò)這些分割出來(lái)的部件都非常非常小，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步,，制造精度將不斷提高,，分割的部件還會(huì)越來(lái)越小。我們可以把3D打印機(jī)看作是嚴(yán)格遵守說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作的組裝的工人,，而那些小部件就是3D打印的“墨水”,。

3D打印也就是堆積木

條條大路通羅馬，雖然原理都是一樣的,，但實(shí)現(xiàn)的方式卻非常多,，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以分為選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積制造法,、光固化成型法和分層實(shí)體制造法,。

選擇性激光燒結(jié)法，就是放上一大堆金屬粉末,，用激光一點(diǎn)點(diǎn)熔融燒結(jié)起來(lái)制造成型,。這種方式可靠性高，可以制造金屬構(gòu)件,，不過(guò)設(shè)備昂貴技術(shù)性強(qiáng),。目前除了少數(shù)幾家廠商在研發(fā)相同概念的家用型外，基本上還是高精尖端工業(yè)領(lǐng)域在應(yīng)用,，比如航空航天和汽車(chē)制造行業(yè),。

熔融沉積制造法比較容易理解，就是把原材料熔化成半流體,，然后從噴頭拉成一條條絲狀體堆積成型,，有點(diǎn)像牙簽工藝品的制作，這個(gè)絲狀體的直徑也就是這臺(tái)3D打印機(jī)的精度,。目前這是主流3D打印機(jī)采用最多的方法,。

主流3D打印機(jī)的原理其實(shí)也就是這么回事

光固化成型法和分層實(shí)體制造法的過(guò)程都差不多，都是化立體為平面，一層層制造出來(lái)后堆積起來(lái),。只不過(guò)光固化成型是做減法,，分層實(shí)體制造是做加法。目前來(lái)說(shuō)光固化成型法具有精度高,、可控型強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，適合于制造精細(xì)工藝品，比如精美的國(guó)際象棋棋子之類(lèi),，但其設(shè)備成本高占地大,，雖然有一些家用型號(hào)，但還不太普及,。分層實(shí)體制造法則更多的是用來(lái)制作工藝品,，其成本低材料廣是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但基本沒(méi)有家用普及的想法,。



3D建模和3D打印過(guò)程

說(shuō)完了硬件就要說(shuō)軟件,，光有設(shè)備還是做不出3D打印的，我們需要給3D打印機(jī)一份組裝說(shuō)明書(shū),，這份說(shuō)明書(shū)就是3D建模,。

市面上幾乎所有的3D建模軟件都可以制作出3D打印機(jī)可以使用的3D建模，包括老牌的CAD軟件AutoCAD,，Solidworks等,，或者CG類(lèi)的軟件3DMAX、Maya等等都是可以的,。無(wú)非存在一些小問(wèn)題,，如：文件格式是否兼容，解讀以及修改是否方便等等,。

不過(guò)對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō),，這些軟件都太貴太不方便了。目前3D打印常用來(lái)建模的主要是一些免費(fèi)的開(kāi)源軟件,，例如OpenSCAD、Tinkercad,、Meshmixer等等,。這里特別要提一下OpenSCAD，可以通過(guò)編制程序代碼來(lái)繪圖,，只要獲得相關(guān)代碼輸入后就能生成圖形,。目前很多網(wǎng)站都以這種代碼作為開(kāi)源形式，因此學(xué)好OpenSCAD可以多一種建模手段而不用非得STL文件不可,。

OpenSCAD代碼輸入的一個(gè)實(shí)例

Tinkercad的界面,，是不是很有趣

不過(guò)單有這么一份說(shuō)明書(shū)還是不行滴，還要翻譯給3D打印機(jī)“聽(tīng)”才行,。在原始圖形文件進(jìn)入3D打印機(jī)前必須通過(guò)一款控制軟件的處理,，將圖形“切片”為3D打印機(jī)的操作步驟,。這種軟件大多也是開(kāi)源的，所以選擇也很多,，常見(jiàn)的有Cura,、makerwat、Repetier,、slic3r等等,，用戶(hù)可以挑選適合自己3D打印設(shè)備的軟件。

Repetier界面

完成這些工作之后就可以將指揮3D打印機(jī)開(kāi)始打印啦,！目前來(lái)說(shuō)打印一個(gè)小項(xiàng)目大約也需要十幾到幾十分鐘時(shí)間,，可以泡杯咖啡耐心等待一下。
3D打印的成品根據(jù)打印機(jī)精度不同,，打印出來(lái)的作品粗糙程度也不同,。另外畢竟材料的硬化過(guò)程不是完全可控，在打印比較復(fù)雜的作品時(shí),，材料的溢出和變形往往不可避免,，因此可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行后期的打磨和修飾。完成這些步驟后一個(gè)3D打印作品就完成了,！

對(duì)于初涉3D建模的新手來(lái)說(shuō),，網(wǎng)絡(luò)上提供有大量的現(xiàn)成制品，不失為一種入門(mén)的途徑,。Thingiverse就是其中一個(gè)最大的網(wǎng)站,，此外老牌開(kāi)源網(wǎng)站GitHub上也可以找到不少作品，另有一些項(xiàng)目能夠在創(chuàng)意論壇中發(fā)現(xiàn),，這里就不一一介紹了,。通過(guò)這些開(kāi)放的作品，來(lái)熟悉軟件和了解3D,，慢慢地加以修改,，有了一些心得之后再自己創(chuàng)作屬于自己的作品，然后再放上開(kāi)放平臺(tái)與大家分享,，就能夠華麗地從菜鳥(niǎo)變身為創(chuàng)客,。

Thingiverse界面

3D打印機(jī)器人

用3D打印做機(jī)器人是另一種有趣的體驗(yàn)，不過(guò)這個(gè)比起單純的打印小物件來(lái)說(shuō)還多了編程和組裝的過(guò)程,，雖然復(fù)雜了不少,，但是項(xiàng)目網(wǎng)頁(yè)上都會(huì)有詳細(xì)的制作步驟介紹，不需要特別費(fèi)勁就可以做一個(gè)屬于自己的3D打印機(jī)器人,。

3D打印機(jī)器人主要分成兩個(gè)部分：可由3D打印的部分和不可由3D打印的部分（看著好象是廢話,，汗）。指定的3D打印部件可以通過(guò)3D打印來(lái)制作，但是其它部件例如電路板,、馬達(dá),、螺栓螺母等等還只能通過(guò)購(gòu)買(mǎi)來(lái)獲得。如果你是一個(gè)資深創(chuàng)客,，可以完全自主地制作原創(chuàng)的3D機(jī)器人,。對(duì)于大部分初試3D打印的人來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)上也有很多3D機(jī)器人開(kāi)源項(xiàng)目,，前面提到的GitHub上就有不少有趣的作品可以來(lái)嘗試一下,。

以GitHub為例，先在網(wǎng)站上找到自己想嘗試的3D打印機(jī)器人作品,。GitHub上的3D打印部件大多是基于OpenSCAD來(lái)制作的,，因此只要復(fù)制程序代碼輸入進(jìn)OpenSCAD就能獲得3D建模。3D建模完成后就按之前的步驟交付3D打印機(jī)來(lái)打印,。

GitHub上的開(kāi)源項(xiàng)目metabot

metabot的3D打印部分

然后查看零件清單中所需的其它部件,，比如馬達(dá)、電路板,、藍(lán)牙模塊,、以及螺栓螺母等連接件，大多數(shù)開(kāi)源項(xiàng)目都會(huì)放上零件的采購(gòu)鏈接,，如果不方便直接采購(gòu)的話可以記錄下型號(hào)自行采購(gòu),。當(dāng)然除了程序相關(guān)的組件外其它的零件還是有一定隨意性，可以根據(jù)自己的實(shí)際情況做一些改變,。
有了帶芯片的電路板之后就可以將程序?qū)�入到電路��,，這里需要一定的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，不過(guò)也不算太復(fù)雜,，各種教程網(wǎng)上比比皆是,，或者向老鳥(niǎo)請(qǐng)教一下。相關(guān)程序文件在同一項(xiàng)目網(wǎng)頁(yè)上就有提供,，利用現(xiàn)成的就行了,。

最后就是組裝，把所有部件按照網(wǎng)頁(yè)上提供的組裝說(shuō)明裝配成型,，這里就要考驗(yàn)各位的動(dòng)手能力了,，沒(méi)有硬件也沒(méi)有軟件可以幫到你喲！完成這些步驟后你就有一個(gè)“萌萌噠”的3D打印機(jī)器人了,。

當(dāng)然，如果你有余力還可以自己對(duì)這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行修改,，在此基礎(chǔ)上做出屬于自己的3D小機(jī)器人,。制作一個(gè)3D打印機(jī)器人大概需要10～20小時(shí)，不失為一種新的休閑娛樂(lè)手段，而且還可以從中學(xué)到不少新的知識(shí),。

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來(lái)源：科普中國(guó)