四种主流3d打印的原理 一篇文章彻底搞懂3D打印原理

下面百度百科上的解释：

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造 ，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

相信你看完这个解释还是对3D打印的原理一头雾水。而我将通过这篇文章努力让你彻底搞懂3D打印原理。

现实世界中的物质状态

水和冰

水蒸气

如果你回忆一下初中物理的课程，现实世界中的物质分为三种状态：固态、液态和气态。最常见的一种物质就是水（液态），当低于零度时水会凝固成冰（固态），当水受热时会气化变为水蒸气（气态）。而3d打印其实就是通过精确控制物质状态的变化而实现的一种技术。

由于气态和液态都没有固定的形状，也就不能构成我们想要的物体，所以，现在的3d打印最终都是以固态为最终状态。但固态的物体大家都知道，是不能非常容易的改变形状的，而气态又太难以控制，所以现在的3d打印技术都是将液态（或类液态）的物体转化为固态的方式实现的。

物理变化

物理变化

液态变为固态最常见的方式就是通过物理变化，比如很多塑料和金属都可以通过升高温度（达到熔点）而从固态变为液态，当温度低于熔点后，又从液态变为固态。市面上的很多打印机原理都是通过这种简单的原理实现的，首先打印材料是固态的塑料或金属，通过加温使材料变为液态，然后塑形，再降温变为固态即可。

化学变化

化学变化

除了上述的物理变化外，最常见的另一种就是通过化学变化来实现液态变固态的过程。这需要特殊材料才可以实现，叫做光敏树脂，顾名思义，这种材料当受到光线照射时，就会发生化学变化，本来的物质是液态，受光照射（近紫外光）后，就会变为固态。但化学变化与物理变化的不同之处是，化学变化是单向的，不可逆的。

3d打印中常见的状态变化方法

上面已经介绍了3d打印的底层原理，要想真正实现3d打印，需要精确的控制物理或化学变化所发生的时机及位置，才可以“打印”出想要的三维模型。不管下述3d打印技术多么复杂，归根结底都是通过精确的控制打印材料固化的过程而实现的生产方式。

以下是常见的几种3d打印形式：

热熔——FDM(Fused Deposition Modelling)或FFF(Fused filament fabrication)

这种方式的3d打印机是市面上最常见的3d打印机了，主要因为原理简单、成本相对较低，是众多桌面级3d打印机的实现原理。实现原理是将固体的塑料（线材）通过加热达到熔融状态，处于熔融状态的材料会通过打印头流出（流出量是被精确控制的，有点类似于水龙头流水），流出的塑料液体因为没有了加热器的加热恢复到室温，从而又一次变为固体，最终形成实物。这个过程中，打印头是需要精确的移动到特定位置才可以打印出最终的模型，这种打印机一般使用步进电机、伺服电机来对打印头进行位置的控制。

打印头简化结构图

光固化——SLA(Stereolithography)或DLP(Digital light processing)

SLA和DLP的原理都是通过光线来对光敏树脂进行固化来实现的，所以都可以称为是光固化3d打印，但两者的成型原理稍有不同。

SLA使用的是单点激光作为光源，打印的过程中是一个光斑沿着打印路径移动来完成的。而DLP则用到了投影仪技术（DMD,Digital Micromirror Device，数字微镜元件），打印时显示的是一整副画面，就像播放幻灯片一样。

DLP原理

SLA原理

选择性激光烧结(SLS)及其它技术

除了上述的几种成型原理外，还有其它很多3d打印技术，虽然不相同，但原理上都是很接近的。比如SLS也就是选择性激光烧结其实与SLA非常类似，区别是SLS的材料是金属粉末或塑料粉末而不是液体，SLS的激光功率也更大些。其它的3d打印技术也是通过物理或化学的方式将不是固体的物质通过可控的方式塑造成特定形状的方式，本质上跟上述的几种都非常类似。

如何塑造想要的三维形状

上面的部分介绍了几种常见3d打印的成型原理，但如果需要塑造想要的三维形状，我们还需要一套坐标系统来配合才可以真正打印出三维模型，这就是3d打印机中的XYZ运动系统，当然由于不同的打印原理，运动系统的实现方式可能存在很大的不同。

就像GPS定位一样，如果想实现三维空间的成型，3d打印机必须具备定位到空间任何一个位置的能力，比如FDM打印机是通过三个步进电机分别控制XYZ三个轴，进而可以实现打印头在特定打印范围内的移动的。

FDM打印机三坐标示意

上图是FDM打印机的XYZ三坐标的示意图，其它打印原理也会有相似的三维坐标，只不过具体的实现细节并不相同，比如SLA打印机中，Z轴是通过步进电机实现的，XY轴却是通过激光振镜实现的，激光振镜其实也是由两个电机组成，并且每个电机上都带有一片镜子，光束通过镜子旋转来实现在XY平面上的移动。

DLP打印机的原理则是通过DMD这个特殊组件直接实现XY平面内任一点的控制。

控制代码（Gcode）

为了能够实现真正的打印，机器可以做到坐标内的定位还不够，还需要有特殊的指令告诉机器如何运动，这就是Gcode，Gcode是借鉴于CNC（数字控制加工设备）而来，是一种通过简单的字母和数字来告知机器应该去哪里的一套代码，可以理解为针对打印机的编程语言，只要输入特定的命令，打印机就会执行相应的动作。

比如：

G1 X10 Y20 Z14

这条命令就是非常常见的移动命令，以上是移动到这个坐标(10,20,14)。

从数字模型到机器控制代码——切片软件（Slicer）

上述的所有部分组合在一起的话，就是一台完整的3d打印机了，但这台3d打印机摆在你面前或许什么有价值的模型都打印不出来，因为它需要特定的指令才可以打印，而但凡打印这样的模型，都需要几千行甚至几十万行精心设计的Gcode才可以。而这么复杂的控制代码靠人为编写是不现实的，所以我们需要一个特殊的软件来完成这件事情——切片软件（Slicer）。

切片软件的作用就是将数字模型转化为打印机可以识别的控制代码的，由于3d打印实现都是一层一层的打印的，切片软件就像把一个三维模型一层一层的切开一样，所以叫做切片软件，如下图所示，为了简化，我把本来的三维模型画作了二维的，但原理是相通的。

切片软件及逐层打印示意图

总结

至此，3d打印的原理已经讲完了，为了让大家能够有一个全局的视角，我再通过使用的流程来概述一下。

1. 任何三维软件绘制要打印的模型；
2. 切片软件导入绘制的模型，并配置各个打印参数以满足打印机和模型的需要；
3. 将生成的Gcode文件通过SD卡或USB连接的形式发送给打印机；
4. 打印机控制板逐行读取Gcode文件，并执行每一条指令；
5. 根据不同的打印机类型，机器会执行相关的操作，比如FDM会加热打印机的打印头并通过步进电机移动XYZ三个轴，SLA会打开激光器并控制振镜旋转特定角度等等；
6. 如此往复，直到Gcode文件全部执行完毕；
7. 这个打印任务就完成了。

由于这篇文章是通俗的讲3d打印原理的，很多细节并没有涉及到，老司会在以后的文章中慢慢提及。如果你有任何3d打印相关的问题，可以留言给我。说不定，下一篇文章就是介绍你的问题。

谢谢大家。

最后，如果喜欢请关注我的头条号。

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