3D 印刷基础知识

3D 印刷是一种制造工艺，其结果是创造出可用于多种用途的物体。想象一下，用热胶枪在桌子上涂抹一些胶水。然后在之前的胶水上涂抹更多的胶水。

3D 打印机--特别是 FDM（熔融沉积成型）打印机--做的也是同样的事情，但更加精确，而且不使用胶水，而是使用塑料。其他类型的3D 打印可以使用激光、粉末或液体，但我们在这里重点讨论的是对消费者更友好的 FDM 打印机。

在进入3D 印刷世界时，您需要一些建议物品，以使您的旅程更加轻松。

FDM 是 "熔融沉积建模 "的缩写，是一种使用长丝的打印机，长丝被拉入挤出机，熔化后从喷嘴中挤出，形成你想要打印的部件。FDM 打印机已经非常成熟，根据你的需要，你可以用低至 99 美元的价格买到一台，也可以根据你的要求买到几万美元的打印机。

可打印零件文件通常采用 STL 格式，即立体光刻格式。步骤文件也很常见--它们可以很容易地在CAD 程序中打开，并转换成 STL 格式用于打印。3D CAD对于创建自己的基于特征的3D 零件，而不是在互联网上到处寻找打印别人的零件，计算机辅助设计cad 软件是极好的选择。

仅靠2DCAD不能很好地实现3D 打印。它们是用来创建 2D 元素（如蓝图）的，而3D 打印是用来制作3D 的。重要的是要了解CAD 的不同类型，以及您所拥有的 是否能让您创建3D 打印过程所需的输出。

切片机是一种能将3D 模型（一种人类能理解的东西）转换成 g 代码（一种3D 打印机能理解的语言）的工具。一些切片机是专有的，而另一些则是开源程序。所有切片机都主要读取 STL 文件格式，用于创建3D 部件。

几乎所有的3D 打印机都配有专为3D 打印机设计的切片机，而许多第三方切片机是专为许多不同的打印机设计的。

首先让我们讨论一下3D 打印机的局限性！虽然3D 打印比其他任何制造工艺都能提供更多的设计自由，但我们并不能完全摆脱为制造而设计的需要。某些特性会影响打印质量。以下是产品设计时需要注意的几个问题：

想象一下如图所示打印出这座桥。由于3D 打印机是逐层打印的，因此打印机必须先建立起构成桥的两个塔，然后在两个塔之间运行材料，而中间没有任何材料支撑。

悬挂取决于机器、打印设置、材料、冷却和其他因素。一般来说，45°悬垂总是可以打印的，60°悬垂总是可以在更精细的设置下打印的。如果悬垂部分与支撑材料的距离不是很远，也不会有问题。在确定3D 可打印的解决方案时，所有这些特性都可以在CAD 解决方案中解决。

有时你无法避免悬垂，而你的打印机往往会给你带来惊喜--只要测试一下你能解决什么问题即可。

在这个具体的例子中，我们通过把边做大来解决这个问题，但还有更好的办法。我们可以利用部件的方向，将部件倒过来打印，从而解决悬空问题。值得提前考虑的是，在设计零件时要考虑到桥接和悬伸问题，这一点我们将在下一节中讨论。

请看上面的例子。决定将哪个面放在打印床上，并围绕这个方向设计零件，可以提高打印质量，避免打印失败。通过战略性地选择哪一面朝上，通常可以完全避免悬空。

最简单的说法是，3 英寸的钉子无法插入 3 英寸的孔中。3D 打印机还容易出现 "过度制造 "的情况，这意味着可能会在预定尺寸之外添加一些额外的材料，通常会导致钉子比设计的大，孔比设计的小。

这并没有一个简单的解决方案，因为这些因素在很大程度上取决于所使用的打印机类型和材料类型。但要获得良好的配合也并非难事--一个合理的起点是将一个部件计划得比要配合的部件小 0.01 英寸到 0.02 英寸，在最终打印之前进行一些简单的测试打印可以节省优化最佳配合的材料和时间。

简而言之，有一些起步指南，但你需要测试你的打印机的能力。

优秀的3D 打印始于优秀的设置！零件设计完成后，切片机设置对打印零件所需的时间、打印质量和零件强度影响最大。下面让我们深入了解关键设置：

打印层高对部件的打印时间和打印质量都有重要影响。Kuznetsov, V. 等人在题为 "使用桌面3D 打印机的熔融沉积技术制造的聚乳酸部件的强度与工艺几何参数的函数关系 "的研究论文中指出，使用较小的层高值可显著提高部件的强度。

研究得出结论"层高对层内聚力的影响最大。在所测试的整个层高值范围内，对于所研究的所有喷嘴（0.4、0.6 和 0.8 毫米），随着层高的增加，零件强度也在降低。对于所研究的样品，当层高从最小值变为最大值时，强度下降了约 3.5 倍"。当然，这也是有代价的。如果追求较小的层高，则打印时间会更长。

切片机默认打印空心零件，并使用一种称为填充物的内部支撑材料来保持零件的强度。使用填充物而不是将零件打印为实心零件，可以大大减少打印所需的时间和材料用量。填充物的密度可变。用户可以指定零件内部是 90% 空、50% 空、10% 空还是任何自定义值。

除了可变密度，切片软件还允许使用不同的图案。通常有六角形图案、陀螺图案、网格图案和其他多种图案可供选择。每种图案都有优缺点，但对于许多不受力的部件（如放在架子上的部件）来说，除了打印时间外，填充物的选择并不重要。

还记得我们在讨论悬挑和桥接时看到的那座桥吗？在处理悬垂部分时，还有另一种保持质量的方法，它有自己的优点和缺点。

支撑材料是切片机添加到印刷品中的材料，可以由切片机自定义。例如，您可以告诉切片机在悬垂角度超过 60° 或您指定的任何角度时自动添加支撑材料。

使用支撑材料的困难在于移除--支撑材料会与打印部件结合，导致表面质量下降。

如果你有一台双头打印机，你可以使用一个打印头打印塑料，另一个打印头打印支撑材料--这意味着你可以选择支撑材料由哪种材料制成。这就提供了更大的灵活性，因为有些支撑材料是可溶解的。否则，您将使用与部件相同的材料打印支撑材料，并需要在完成后将其剥离。

打印机灯丝的宽容度很高，可以在多种温度下打印，而且仍然可以工作。不过，微调也能带来不同。其中一种方法就是使用温度塔。温度塔需要为打印机定制 g 代码，更像是一种 "使用风险自负 "的交易。

温度塔分为多层，有各种重复特征，如悬垂。g 代码被设置为在不同温度下打印每个特征，以观察打印质量如何随温度变化而变化。您可以检查成品部件，直观地查看质量高和质量低的区域，从而了解该材料应使用的正确温度。

直接在床面上的初始打印层至关重要--如果它们在打印过程中脱落，部件就会四处移动，打印也会丢失。热塑性塑料在加热和冷却过程中也会改变形状，如果床面附着力差，初始层可能会在冷却时发生翘曲，并轻微脱离床面，很可能也会毁坏部件。

床面附着力不仅能确保有足够的面积让部件在整个打印过程中保持稳定，还有助于减轻部件可能发生的翘曲。

切片机能够添加筏和边缘。筏板为要打印的部件铺设牺牲材料层。它具有极佳的附着力，可防止传统的翘曲迹象，但可能难以从部件上去除，而且会使用更多的材料。边沿围绕零件的第一层延伸，为基底附着创造了额外的表面区域。挡边可以有效防止翘曲，是使用筏板和不使用额外材料防止翘曲的中间方案。这两种材料都必须在印刷后的后处理过程中从零件上去除。

根据打印床材料和长丝类型的不同，打印件与打印床的粘连可能过多，也可能不足。胶棒的效果很好，它可以防止翘曲，甚至可以确保磨损或不完美的打印床仍然具有所需的粘性。胶棒也是水溶性的，因此很容易清洗。

发胶中产生粘合作用的活性化学物质是醋酸乙烯酯或巴豆酸共聚物，最常见的名称是 PVA。并非所有的发胶都含有这种理想成分，因此一定要购买最大强度的发胶。作为一种气雾剂，它们很容易喷洒到印床上，而且不需要经常清洁印床。发胶可在高温下使用，而且具有疏水性，因此还能起到防潮的作用。请注意，发胶是易燃品。

在使用 ABS 或 PVB 等可溶性材料进行打印时，有时会将额外的长丝溶解到它们可溶解的化学物质中。这样就形成了一种 "浆液 "或 "汁液"，可以倒在打印床上。一旦开始打印，长丝就会被打印到浆液或汁液上，而不是直接打印到打印床上。这样可以增加材料与打印床的附着力。

在使用3D 打印切片机时，您可能会发现切片机默认创建一个空心部件。这样做有几个明显的优点--打印速度更快、节省大量材料，而且填充物可以增加很大的强度。

，就像房子的稳定性依赖于地基一样，外壳厚度是3d 打印的稳定性。这决定了部件在变成空心并填充填充物之前外部的厚度。外壳厚度越厚当然强度越高，但强度高的代价是更多的材料和更长的打印时间。

PLA 是聚乳酸的缩写，可以说是3D 最常用的打印材料。它成本低廉，比许多聚合物材料更环保，而且种类繁多。它不需要加热床。它是用玉米淀粉而不是石油制成的。

ABS 是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene）的缩写，是3D 印刷的另一种常用材料，也是一种普通塑料。它可以用丙酮进行后处理，使其平滑光亮。与聚乳酸相比，ABS 具有更好的延展性（柔韧性），但翘曲也很严重。应仔细考虑床面附着力、方向和其他因素，以防止翘曲。

PETG 是改性聚对苯二甲酸乙二醇酯的缩写，它能很好地平衡 ABS 和 PLA 的优点。与 ABS 相比，PETG 具有很好的层粘附性、抗翘曲性、抗收缩性、良好的耐化学性、无味且易于加工。

尼龙通常由碳纤维颗粒增强，因此是一种用途广泛的强韧材料。尼龙具有高耐热性和低收缩性，特别是因为它含有碳纤维添加剂。

您喜欢蒸汽平滑的理念，但又不想用丙酮烧掉房子吗？PVB 就是解决方案。PVB 具有类似 PLA 的易3D 印刷性，可溶于异丙醇（摩擦酒精），因此您可以在不使用刺激性化学品的情况下进行平滑。与 PLA 相似，它收缩率低，易于打印，而且无味。

这种较少使用的材料非常适合用于日常产品。它可以弯曲其他材料断裂的地方，甚至可以支持活铰链的印刷。这种材料有一种抓握感，手感极佳。聚丙烯非常耐化学腐蚀。聚丙烯是使用量第二大的塑料，仅次于聚乙烯，因此也可回收利用。

TPU 是热塑性聚氨酯的缩写，是一种柔软而有弹性的长丝。这种长丝更像是橡胶或硅胶，而不是真正的塑料。它具有天然的良好床面附着力，翘曲度低，无异味。

PC 是聚碳酸酯的缩写，是一种难以打印的材料。它对温度的要求很高，事实上大多数打印机都无法打印。它需要一个非常热的打印床和一个外壳，使环境空气保持足够高的温度，这样才能进行打印。聚碳酸酯具有良好的耐冲击性、耐热性和耐化学性，通常是透明的，可以弯曲而不会断裂。这种材料对湿气很敏感，必须采取特别措施保持干燥。

3D 打印部件通常可以在打印后进行改进。它们可以被喷漆、蒸汽平滑等等。

有时，要使两个部件完美契合，需要付出额外的努力。如果材料稍多，用细砂纸打磨就可以磨平并去除材料，从而达到完美的配合。

有些材料可以被化学品溶解。讨论最多的就是 ABS 和丙酮。丙酮是一种危险化学品，在处理时应进行适当的培训。如果将 ABS 暴露在丙酮蒸汽中，它就会融化印刷品的外部，从而使其平滑并掩盖层纹。与 ABS 相比，聚乙烯醇缩丁醛（PVB）是一种更好的蒸汽平滑材料。这种材料可溶于异丙醇（摩擦酒精），这意味着它可以在较小的危险下进行平滑处理。这些材料与 PLA 一样易于打印，无味，收缩率和翘曲率低。

3D 印刷的许多方面和特点都使其非常出色。在3D 印刷时，为了节省材料、时间和金钱，人们花费了很多心思。很少有工艺能像3D 印刷那样提供如此大的设计自由度。享受将梦想变为现实的能力！