從零開始了解3D打印

傳說中女媧以自己為模特，用黃土造人。先是一個(gè)個(gè)地捏，然而捏了很長時(shí)間后她發(fā)現(xiàn)這樣難以讓人類快速遍布世界。想想也是，我們來做一個(gè)簡單的算術(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，也就是到今兒女媧還在捏呢。于是女媧很聰明地拿了條繩子（一說藤條），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”來的

當(dāng)然，這只是一個(gè)神話傳說，但是人類自打有了手藝這天開始就憧憬這么一條甩之就能成型的繩子。當(dāng)然，上萬年以來人類也就只能想想，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)過程。現(xiàn)在通用的各3D打印技術(shù)，在當(dāng)時(shí)基本上都已經(jīng)開發(fā)出來了。反而3D打印這名字來得晚，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)千家萬戶。



原理和分類
3D打印技術(shù)雖然有好多種，但思路都是一樣的，專業(yè)術(shù)語叫做“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再一粘就是了——前提是能看懂說明書。

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，分別制造出來然后堆積在一起。只不過這些分割出來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，分割的部件還會越來越小。我們可以把3D打印機(jī)看作是嚴(yán)格遵守說明書進(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，簡單來說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)起來制造成型。這種方式可靠性高，可以制造金屬構(gòu)件，不過設(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)體制造法的過程都差不多，都是化立體為平面，一層層制造出來后堆積起來。只不過光固化成型是做減法，分層實(shí)體制造是做加法。目前來說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，比如精美的國際象棋棋子之類，但其設(shè)備成本高占地大，雖然有一些家用型號，但還不太普及。分層實(shí)體制造法則更多的是用來制作工藝品，其成本低材料廣是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但基本沒有家用普及的想法。



3D建模和3D打印過程

說完了硬件就要說軟件，光有設(shè)備還是做不出3D打印的，我們需要給3D打印機(jī)一份組裝說明書，這份說明書就是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類的軟件3DMAX、Maya等等都是可以的。無非存在一些小問題，如：文件格式是否兼容，解讀以及修改是否方便等等。

不過對于非專業(yè)人士來說，這些軟件都太貴太不方便了。目前3D打印常用來建模的主要是一些免費(fèi)的開源軟件，例如OpenSCAD、Tinkercad、Meshmixer等等。這里特別要提一下OpenSCAD，可以通過編制程序代碼來繪圖，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

不過單有這么一份說明書還是不行滴，還要翻譯給3D打印機(jī)“聽”才行。在原始圖形文件進(jìn)入3D打印機(jī)前必須通過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源的，所以選擇也很多，常見的有Cura、makerwat、Repetier、slic3r等等，用戶可以挑選適合自己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)開始打印啦！目前來說打印一個(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，打印出來的作品粗糙程度也不同。另外畢竟材料的硬化過程不是完全可控，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！

對于初涉3D建模的新手來說，網(wǎng)絡(luò)上提供有大量的現(xiàn)成制品，不失為一種入門的途徑。Thingiverse就是其中一個(gè)最大的網(wǎng)站，此外老牌開源網(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。通過這些開放的作品，來熟悉軟件和了解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，然后再放上開放平臺與大家分享，就能夠華麗地從菜鳥變身為創(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)，不過這個(gè)比起單純的打印小物件來說還多了編程和組裝的過程，雖然復(fù)雜了不少，但是項(xiàng)目網(wǎng)頁上都會有詳細(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3D打印來制作，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購買來獲得。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。對于大部分初試3D打印的人來說，網(wǎng)絡(luò)上也有很多3D機(jī)器人開源項(xiàng)目，前面提到的GitHub上就有不少有趣的作品可以來嘗試一下。

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)來打印。

GitHub上的開源項(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)開源項(xiàng)目都會放上零件的采購鏈接，如果不方便直接采購的話可以記錄下型號自行采購。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)�入到電路板，這里需要一定的專業(yè)技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，不過也不算太復(fù)雜，各種教程網(wǎng)上比比皆是，或者向老鳥請教一下。相關(guān)程序文件在同一項(xiàng)目網(wǎng)頁上就有提供，利用現(xiàn)成的就行了。

最后就是組裝，把所有部件按照網(wǎng)頁上提供的組裝說明裝配成型，這里就要考驗(yàn)各位的動(dòng)手能力了，沒有硬件也沒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手段，而且還可以從中學(xué)到不少新的知識。

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來源：科普中國