3D打印可以將電腦里的3D建模文件變成實物，打印過程無需干預而且精度遠超手工制作，聽起來和用起來都相當炫酷。雖然它火了很久，但在大眾面前它們還很神秘。考慮到很多人其實用不著，但又有剁手的沖動，那就是來一發科普好了。

　　本文將從“原理、分類、軟件和核心部件、打印過程、精度、可用度”等幾方面對3D打印和3D掃描進行簡單的科普和掃盲。

原理與技術優勢

　　3D打印是一種通過堆疊薄層制造三維物體的技術。它的關鍵詞是薄層堆疊，通過不同原理讓原料一層層地成型和堆疊。

　　雖然聽起來高大上，但大概原理只是一個能在XY軸平面上移動的噴頭，精確控制原料的位置，打完一層后，平臺下移（一般是0.1mm）后再打下一層，直至打印出整個成品。

　　對比銑床（通過銑刀對材料從外到內進行切削）、熔鑄（融化后倒入模具成型）等傳統加工方式，3D打印的最大優勢是可以制造有復雜內部空間的成品，而且材料利用率接近100%。

3D打印的類型

3D打印原理分類及優缺點

打印精度對比

　　根據原料成型原理的不同，成本從低到高排列，分別是熔積成型、光敏固化、粉末粘接、激光燒結等4種，它們的工作原理如下：

　　熔融沉積成型（FDM，全稱Fused      Deposition Modeling），噴頭將絲狀熱熔性材料加熱融化擠噴出來，材料遇到溫度更低的打印平臺后凝固，通過層層堆積形成最終成品。

　　光固化成型（SLA，全稱Stereolithigraphy Apparatus）通過紫外光等光源照射光敏樹脂材料，讓其逐層凝固成型，通過層層堆積形成最終成品完整的產品。其是最早發展起來、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術。

　　粉末粘接（3DP，全稱Three      Dimensional Printing and Gluing）通過噴嘴將粘合劑噴噴灑在陶瓷/金屬/塑料粉末等材料上，不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加而得到成品。

　　激光燒結 （SLS，全稱Selecting Laser Sintering）類似上兩種技術的混合體，通過大功率激光照射金屬粉末等原料，使其燒結/融接。不斷重復鋪粉、燒結的過程直至完成整個模型成型。它才是工業上經常提到的3D打印。

　　成本最高的激光燒結和粉末粘接技術中，一個桌面機型極少，一個連桌面級產品都還沒出現。而采用光固化技術的機型，價格一般從20000元起跳，所以現時民用級3d打印機，用的基本都是成本最低的熔積成型技術，很多廠家甚至已經可以把售價控制在2000元左右。所以剁手門檻最低的它們才是本篇科普的主角。

控制軟件

　　除了核心的機械部件，打印機還需要最終控制打印頭移動的3D建模文件才能工作。雖然打印機基本都帶顯示屏和控制按鈕，但打印所需的3D建模文件依舊需要電腦的幫忙。中高端產品一般可以連接電腦并有專門的客戶端，而低端產品一般省略連接功能，只能通過讀取SD卡中的文件進行打印。

　　3D打印機只能讀取經過切層處理的3D建模文件（約等于將3D數字模型做了N層切片），可以通過3Dmax、CAD、MAYA等建模軟件輸出的.stl .3w格式文件進行直接轉換。

　　很多廠家網站的素材庫、建模網站都能找到現成的3D建模文件，有軟件基礎的用戶可以自行建模。入門用戶最喜聞樂見的除了手辦外，自然還是手機殼，掛飾等小玩意。

核心部件說明

　　3D打印的關鍵詞是薄層堆疊，對于熔積成型技術的3D打印機來說，可以在二維平面移動的打印頭負責“薄層”，可以上下移動的平臺負責“堆疊”。其核心部件不多，以剛評測完的三緯da Vinci 1.0 AiO為例：

　　打印頭是個可以在XY軌道上精確移動的加熱裝置，可以加熱融化ABS/PLA材料，內部有壓入原料絲的齒輪，背后有散熱風扇。機器通過皮帶傳動，打印頭可以在X軸上左右移動，而打印頭和整個X軸都架在了Y軸上。

　　打印平臺是個帶加熱功能，可以精確控制上下移動的玻璃板，最高加熱溫度為90度（防止落到平臺的ABS原料因溫度太低而無法粘連），動力來源是底部的馬達。平臺邊上一般會有校準位置用的定位點，以及調整平臺水平姿態（前傾后延等）的螺絲。

原料

　　原料方面，主流將ABS樹脂和PLA（生物降解塑料聚乳酸）材料，做成固定直徑的線材（1.75mm）并捆在線筒上，價格一般在200元/1kg左右。部分廠家會采用盒子封裝，并在底部加上芯片，提供原料類型和剩余量記錄功能，用起來會方便一點，而代價自然是成本會更高一些。

　　兩種材料都可以被染上不同的顏色，它們的使用區別在熔點上，ABS熔點為220度左右，不透明亞光質感，強度更高，需要平臺被加熱到90度才能正常成型，但有毒性，使用時會有塑料燒焦的臭味，而且本身熱收縮性較大，成品精度會低一點

　　PLA熔點在200度左右，加工時的能耗更低，速度更快，其半透明質感更加光亮，平臺加熱到45就能正常成型，無毒環保幾乎無異味，正在慢慢淘汰ABS成為主要的打印原料。

打印過程與維護

　　打印前要在平臺上涂上固體膠，其作用是作為隔層，方便最后的成品移除。打印第一步是加熱打印頭和平臺，耗時因機器功率而異，500W以下的機器一般可以在1-2分鐘內完成打印頭的加溫，但平臺卻要5-6分鐘左右才能從常溫升到90度。

　　隨后，打印平臺升到最高點就可以開始打印了，過程就是啰嗦過多次的：線狀的打印原料在打印頭中被加熱融化，以流體的狀態流出，在接觸打印平臺后硬化粘連。打印頭的移動軌跡會被這些原料“記錄”下來，打完一層后，平臺下移，機器再打第二層，直至把整個物體打印出來。

　　原料可以被染色，但熔積成型打印機只能通過中途變換原料的方式，打印出純色或橫向顏色變化的物體。所以一般是把成品不同顏色的部分分開打印，最后像模型一樣再組裝起來。

　　工作過程中只有XYZ軸3個電機，以及打印頭的散熱風扇的聲音，噪音不大。但如果用的是ABS樹脂，則還需要做額外的通風措施。

　　桌面打印機一般拆封就能直接使用，但如果使用時間太長、成品和平臺總是粘連過緊而需動用鐵鏟和暴力，則需要自行對打印平臺進行調平。否則可能會影響成型質量，嚴重的話，可能會讓打印頭和平臺碰撞而產生變形。另外，用久了的打印頭也是相當臟的，偶爾還要用鐵絲給材料出口“通便”。

掃描功能

　　現在某些高端型號的入門機開始具備3D掃描功能，可以對實物進行掃描并生成3D建模文件，通過這個文件就可以再復制一個同樣的產品。

而3D掃描分為接觸和非接觸式，前者是用傳統的測量點接觸物體搜集空間信息，精度和成本都很高，而且速度奇慢；后者主要使用激光、低頻聲波等進行間接掃描，速度快但精度一般，一般需要多次掃描進行數據校正。

3D掃描過程

掃描文件

　　現時打印機中內置的一般是激光掃描裝置。被掃描物體放在可旋轉的平臺上，掃描器發出激光平面打在掃描物體上，接收器根據反射回來光線計算除物體的空間點數據。

　　不過遺憾的是，即使是萬元級打印機自帶的掃描功能，基本都處在不可用的狀態。掃描功能的限制很多，會讓光線散射不正常的物質特性，幾乎都會影響掃描效果，物體高度太低、顏色太深、顏色種類太多、表面太光滑、凹坑太復雜、內部深度太大等都會影響最終效果。

　　用它來掃描簡單的幾何體當然不成問題，但想用它來掃描復雜的手辦，甚至高達模型之類的話，那就基本無望了……

　　另外，多增加3D掃描功能的機型，一般會比原生機型貴3、4000元，這裝逼成本太高，故并不建議購買帶3D掃描功能的衍生型號。

打印速度&打印精度

　　終于說到3D打印機最核心的部分了。3D打印的速度遠比正常人想象中的慢，不過也很好理解：每一層的打印厚度在0.1-0.4mm（擠出的是0.1mm寬的原料絲），那打印1cm高的產品就得打印超過25-100層了……

　　其打印耗時和打印精度/層厚成正比，而且因為原料出絲速度固定，它們的打印耗時很容易計算。作為參考，以精度（層厚）0.3mm的時候，打印一個4克重的空心表殼就需要30分鐘了。如果打印的是一個手掌大的手辦，而且它還有100多克重的話，打印耗時就要突破12小時了囧。

實際打印樣品

　　打印精度方面，很多人都以為3D打印機的成品可以作為最終產品，但這只針對光固化成型的打印機，其余3種打印機的產品更像是毛坯，如果對外形和精度要求高的話，成品本身還是經過再次打磨。

　　而更可悲的是，成本最低的熔積成型打印機，在每一層之間有明顯的接合痕跡，俗稱“臺階效應”，導致其表面相當粗糙。看到入門級熔積成型打印機的作品之后，或許很多用戶都會有一定的心理落差。

實際可用度&限制

　　雖然3D打印的薄層堆疊原理，可以應對很多復雜的內部結構，但這個也帶來了相應的限制：

· 橫向強度不足：無論是哪種原理的打印機，它們都是縱向的薄層堆疊，所以橫向強度會遠低于縱向；

· 下小上大的物體需要額外的支撐機構：受重力影響，3D打印也不可能打印出懸空的物體，故需要在懸空物體下方額外打印支架或框架；

· 要打印出多種顏色的產品，只能中途變換原料或分開打印的形式進行；

· 熔積成型的打印機只能打印出塑料成品，而且成品的硬度有限，只有粉末粘接和激光燒結能打印出陶瓷、金屬等真正具有工業用途的用品；

· 精度和速度的矛盾：薄層堆疊的薄層越薄，所需的層數和時間就越長，只能通過多噴頭同時工作等方式提高速度。