[科普中国]-从零开始了解3D打印

图1 3D打印作品展示

传说中女娲以自己为模特，用黄土造人。先是一个个地捏，然而捏了很长时间后她发现这样难以让人类快速遍布世界。想想也是，我们来做一个简单的算术题，就算是5分钟捏一个，要捏出当今世界的70亿人的话，那得……6600多年，中华文化上下5000年，也就是到今儿女娲还在捏呢。于是女娲很聪明地拿了条绳子（一说藤条），粘上黄泥一甩，哗！一下子就造出一大片人了。

图2 我们大多数人其实都是“3D打印”来的

当然，这只是一个神话传说，但是人类自打有了手艺这天开始就憧憬这么一条甩之就能成型的绳子。当然，上万年以来人类也就只能想想，直到我们有了科学，制造了机械，有了电，最后到了今天我们有了3D打印。
3D打印的前身是快速原型制造，在上世纪80年代已经应用于工业设计和生产过程。现在通用的各3D打印技术，在当时基本上都已经开发出来了。反而3D打印这名字来得晚，直到1995年麻省理工学院的两名毕业生JimBredt和TimAnderson才第一次提出了“3D打印”的概念。
他们之所以要将这个技术命名为“3D打印”，除了其样机的概念就是像打印文件一样制造产品，同时也是期望这项技术最终能像打印机一样走进千家万户。
原理和分类
3D打印技术虽然有好多种，但思路都是一样的，专业术语叫做“分布式材料制造”。举个大家都容易看懂的例子：一个人做一个柜子那是需要很长时间，想要加快的话那就得增加人手，但若人数固定的话还有什么办法加快制造速度呢？那就是做一堆积木，然后找个人将积木按照一定的形状堆积起来再一粘就是了——前提是能看懂说明书。
分布式材料制造就是这样将要生产的产品分割成一个个小部分，分别制造出来然后堆积在一起。只不过这些分割出来的部件都非常非常小，而且随着技术的进步，制造精度将不断提高，分割的部件还会越来越小。我们可以把3D打印机看作是严格遵守说明书进行操作的组装的工人，而那些小部件就是3D打印的“墨水”。

图3 3D打印也就是堆积木

条条大路通罗马，虽然原理都是一样的，但实现的方式却非常多，简单来说可以分为选择性激光烧结法、熔融沉积制造法、光固化成型法和分层实体制造法。
选择性激光烧结法，就是放上一大堆金属粉末，用激光一点点熔融烧结起来制造成型。这种方式可靠性高，可以制造金属构件，不过设备昂贵技术性强。目前除了少数几家厂商在研发相同概念的家用型外，基本上还是高精尖端工业领域在应用，比如航空航天和汽车制造行业。
熔融沉积制造法比较容易理解，就是把原材料熔化成半流体，然后从喷头拉成一条条丝状体堆积成型，有点像牙签工艺品的制作，这个丝状体的直径也就是这台3D打印机的精度。目前这是主流3D打印机采用最多的方法。

图4 主流3D打印机的原理其实也就是这么回事

光固化成型法和分层实体制造法的过程都差不多，都是化立体为平面，一层层制造出来后堆积起来。只不过光固化成型是做减法，分层实体制造是做加法。目前来说光固化成型法具有精度高、可控型强等优点，适合于制造精细工艺品，比如精美的国际象棋棋子之类，但其设备成本高占地大，虽然有一些家用型号，但还不太普及。分层实体制造法则更多的是用来制作工艺品，其成本低材料广是一个优点，但基本没有家用普及的想法。
3D建模和3D打印过程
说完了硬件就要说软件，光有设备还是做不出3D打印的，我们需要给3D打印机一份组装说明书，这份说明书就是3D建模。
市面上几乎所有的3D建模软件都可以制作出3D打印机可以使用的3D建模，包括老牌的CAD软件AutoCAD，Solidworks等，或者CG类的软件3DMAX、Maya等等都是可以的。无非存在一些小问题，如：文件格式是否兼容，解读以及修改是否方便等等。
不过对于非专业人士来说，这些软件都太贵太不方便了。目前3D打印常用来建模的主要是一些免费的开源软件，例如OpenSCAD、Tinkercad、Meshmixer等等。这里特别要提一下OpenSCAD，可以通过编制程序代码来绘图，只要获得相关代码输入后就能生成图形。目前很多网站都以这种代码作为开源形式，因此学好OpenSCAD可以多一种建模手段而不用非得STL文件不可。

图5 OpenSCAD代码输入的一个实例

图6 Tinkercad的界面，是不是很有趣

不过单有这么一份说明书还是不行滴，还要翻译给3D打印机“听”才行。在原始图形文件进入3D打印机前必须通过一款控制软件的处理，将图形“切片”为3D打印机的操作步骤。这种软件大多也是开源的，所以选择也很多，常见的有Cura、makerwat、Repetier、slic3r等等，用户可以挑选适合自己3D打印设备的软件。

图7 Repetier界面

完成这些工作之后就可以将指挥3D打印机开始打印啦！目前来说打印一个小项目大约也需要十几到几十分钟时间，可以泡杯咖啡耐心等待一下。
3D打印的成品根据打印机精度不同，打印出来的作品粗糙程度也不同。另外毕竟材料的硬化过程不是完全可控，在打印比较复杂的作品时，材料的溢出和变形往往不可避免，因此可以根据实际情况来进行后期的打磨和修饰。完成这些步骤后一个3D打印作品就完成了！
对于初涉3D建模的新手来说，网络上提供有大量的现成制品，不失为一种入门的途径。Thingiverse就是其中一个最大的网站，此外老牌开源网站GitHub上也可以找到不少作品，另有一些项目能够在创意论坛中发现，这里就不一一介绍了。通过这些开放的作品，来熟悉软件和了解3D，慢慢地加以修改，有了一些心得之后再自己创作属于自己的作品，然后再放上开放平台与大家分享，就能够华丽地从菜鸟变身为创客。

图8 Thingiverse界面

3D打印机器人
用3D打印做机器人是另一种有趣的体验，不过这个比起单纯的打印小物件来说还多了编程和组装的过程，虽然复杂了不少，但是项目网页上都会有详细的制作步骤介绍，不需要特别费劲就可以做一个属于自己的3D打印机器人。
3D打印机器人主要分成两个部分：可由3D打印的部分和不可由3D打印的部分（看着好象是废话，汗）。指定的3D打印部件可以通过3D打印来制作，但是其它部件例如电路板、马达、螺栓螺母等等还只能通过购买来获得。如果你是一个资深创客，可以完全自主地制作原创的3D机器人。对于大部分初试3D打印的人来说，网络上也有很多3D机器人开源项目，前面提到的GitHub上就有不少有趣的作品可以来尝试一下。
以GitHub为例，先在网站上找到自己想尝试的3D打印机器人作品。GitHub上的3D打印部件大多是基于OpenSCAD来制作的，因此只要复制程序代码输入进OpenSCAD就能获得3D建模。3D建模完成后就按之前的步骤交付3D打印机来打印。

图9 GitHub上的开源项目metabot

图10 metabot的3D打印部分

然后查看零件清单中所需的其它部件，比如马达、电路板、蓝牙模块、以及螺栓螺母等连接件，大多数开源项目都会放上零件的采购链接，如果不方便直接采购的话可以记录下型号自行采购。当然除了程序相关的组件外其它的零件还是有一定随意性，可以根据自己的实际情况做一些改变。
有了带芯片的电路板之后就可以将程序导入到电路板，这里需要一定的专业技术和相关设备，不过也不算太复杂，各种教程网上比比皆是，或者向老鸟请教一下。相关程序文件在同一项目网页上就有提供，利用现成的就行了。
最后就是组装，把所有部件按照网页上提供的组装说明装配成型，这里就要考验各位的动手能力了，没有硬件也没有软件可以帮到你哟！完成这些步骤后你就有一个“萌萌哒”的3D打印机器人了。
当然，如果你有余力还可以自己对这个项目进行修改，在此基础上做出属于自己的3D小机器人。制作一个3D打印机器人大概需要10～20小时，不失为一种新的休闲娱乐手段，而且还可以从中学到不少新的知识。