3D打印技术的应用始于20世纪80年代，涵盖产品开发、数据可视化、快速成型和特殊产品制造领域。如今随着技术的不断发展，3D打印也衍生出涵盖建筑、工程建造（AEC）、工业设计、汽车、航空、军事等领域的应用服务。本篇文章将带大家走进3D打印技术，在深入研究各项打印技术原理的同时，也会从各个打印切片软件的特性及如何提高打印质量等方面展开漫谈，最后一起探讨3D打印技术应用于建筑或者测绘项目中的可能性。
01 3D打印技术简述3D打印也被称为增材制造（Additive Manufacturing, AM），可指任何打印三维物体的过程。打印的过程首先来源于一个3D模型，该模型可以经各类3D软件建模得出，或者通过三维扫描仪扫描而得。所得的模型经过转换后，变成可被切片软件读取的文件格式，例如STL./OBJ.等。在切片软件的帮助下，三维模型分区成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。打印机读取切片文件后，即可打出想要的3D模型【1】。
图1 3D打印过程
02 3D打印技术分类3D打印技术根据层叠方法和使用材料的不同，也分为不同的种类。接下来就市场上主流的几种增量工艺进行阐述。
2.1 立体光刻技术（SLA）
光固化3D打印（激光扫描）成型，最早起源于上世纪80年代，也是世界上最早且较为成熟的一种快速成型技术之一【2】。下图是关于SLA技术工作原理的示意图，一定波长的紫外光（250 nm～400 nm）经过振镜投射到液态树脂表面，引起光聚合反应，以由点到线、由线到面的顺序凝固，一层层的层截面叠加绘制，最终逐层打印完成3D立体模型。
图2 立体光刻技术（SLA）过程
2.2 熔融沉积成型技术（FDM）
熔融沉积成型（FDM）是上世纪八十年代末产生的技术。FDM的工作原理是，将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化。喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6mm），在计算机控制下，喷头会根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。材料被喷出后沉积在前一层已固化的材料上，通过材料逐层堆积形成最终的成品【3】。
图3 熔融沉积成型（FDM）技术过程
2.3 选择性激光烧结技术（SLS）
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS），主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。其工作原理是先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束照射在粉层上，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台会下降一个层厚的高度，铺粉系统继续为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作【4】。
图4 选择性激光烧结技术（SLS）过程
2.4 分层实体成形技术（LOM）
分层实体成形又称层叠成形法(Laminated Object Manufacturing, LOM)，以薄片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，通过薄片材进行层叠加与激光切割而形成模型。其成形原理为激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓数据，将背面涂有热熔胶的片材用激光切割出模型的内外轮廓。切割完一层后，工作台会下降一层高度，在刚形成的层面上叠加一层新的片材，并利用热粘压装置使之粘合在一起【5】。
图5 分层实体成形技术（LOM）过程
2.5 数字光处理 （DLP）
数字光处理(Digital Light Processing , DLP)，该技术是业界公认的第二代光固化成型技术，距今已有20多年的发展历史。DLP技术主要是通过投影仪来逐层固化光敏聚合物液体，从而创建出3D打印对象的一种快速成型技术。这种成型技术首先利用切片软件把模型切薄片，投影机播放幻灯片，每一层图像在树脂层很薄的区域产生光聚合反应固化，形成零件的一个薄层，然后成型台移动一层，投影机继续播放下一张幻灯片，继续加工下一层，如此循环，直达打印结束，所以不但成型精度高，而且打印速度也非常快【6】。
图6 数字光处理技术（DLP）过程
2.6 选择性区域光固化技术（LCD）
LCD在3D打印技术中是新兴技术，近几年开始流行起来，成本大大降低，入手门槛触手可及，精度媲美DLP，它使用紫外线照射固化树脂作为成型方式。LCD 3D打印机工作原理是利用液晶屏LCD成像原理，在计算机及显示屏电路的驱动下，由计算机程序提供图像信号，在液晶屏幕上出现选择性的透明区域，紫外光透过透明区域，照射树脂槽内的光敏树脂耗材进行曝光固化，每一层固化时间结束，平台托板将固化部分提起，让树脂液体补充回流，平台再次下降，模型与离型膜之间的薄层再次被紫外线曝光。由此逐层固化上升打印成精美的立体模型【7】。
图7 选择性区域光固化技术（LCD）过程
2.7 对比
根据每种打印技术的优点及其局限性，不同的打印技术可被选择用来打印不同的物体以达到最佳效果。综合上述的六种3D打印技术，本文就应用范围、总体准确性、材料选择和后处理需求四个方面来进行比较。
表1 六种3D打印技术对比
03 实 验3.1 背景
对于3D打印技术应用而言，软件、硬件、材料是最重要的三个基础环节。软件作为其中之一，其类型覆盖CAD建模、CAM数据预处理、CAE仿真、生产管理等多方面。市面上最热门的针对FDM的3D打印数据软件主要有三款，分别是Cura、PrusaSlicer还有Simplify3D【8】，下面简单带大家了解一下这三款软件。
3.1.1 Cura
Cura是一款由Ultimaker开发的免费开源3D打印切片软件，速度快、切片稳定，可跨平台支持多种操作系统。凭借上手度高、专业性强等优点，Cura快速成为打印切片软件中的佼佼者。Cura的功能分为模型切片和打印机控制两大部分，操作界面简单明了，对每个参数都提供了详尽的提示，非常容易上手。虽由Ultimaker开发，但支持绝大多数桌面3D打印机。
图8 creality slicer 4.2 操作界面（内核为Cura）
3.1.2 PrusaSlicer
PrusaSlicer是一款基于Slic3r二次开发的免费开源3D打印切片软件，曾被称为Slic3r Prusa Edition或Slic3r PE。此前Slic3r虽功能强大、用途广泛，但某些功能很难使用，基于其开发的PrusaSlicer则具有简洁的用户界面，分为了模型摆放区、打印设置区、材料设置区以及打印机设置区，清晰明了，操作效率大大提升。同时，该软件支持FDM/FFF、LCD、DLP打印工艺数据处理，同时内置第三方打印机配置文件，软件可设置为中文，用户可快速上手。
图9 PrusaSlicer2.4.0操作界面
3.1.3Simplify3D
Simplify3D是用于桌面级3D打印的集成软件解决方案，功能强大，在国内也颇受欢迎。Simplify3D的相对于其他切片软件，切片速度极快。而且Simplify3D的参数控制窗口采用选项卡模式，具有更好的用户体验。软件所持有的模拟功能也更为详细，可以使用户在打印之前看到所有的设定信息，如打印速度、顺序等，以便发现在打印过程中的问题。针对多喷头打印可同时支持6种以上材料打印，这为诸如颜色混合或定制材料属性的应用提供了更大的自由度。
图10 Simplify3D操作界面
3.2 实验内容
实验中采用的3D打印机为创想三维旗下的CR-10Smart，该机型成型技术为FDM，打印尺寸为300*300*400mm，打印材料为PLA1.75mm。实验从五个方面进行比较分析，前四个分别为3D打印切片软件、填充图案、回抽距离和悬挂角度。最后一个为FDM和LCD打印机模型的对比。
3.2.1 实验一：软件对比实验
第一个实验将针对同个模型，分别用3款切片软件：Creality Slicer、PrusaSlicer、Simplify3D进行切片后，放入打印机中打印得到模型，最后对模型效果、打印速度、耗材量等方面进行分析比对。该实验采用的是小船测试模型，模型大小为X:50mm、Y：25.84mm、Z:40mm，模型效果如下图所示。
图11 小船测试模型
切片软件参数的设置会对模型最终的打印效果产生重大影响，现将三款软件的主要参数设置为一致，参数列表如下图所示。
表2 3D切片软件基本参数
实验结果如下图所示，Prusaslicer打印时间为1h0min，耗材量为7.03g；Creality Slicer打印时间为1h7min，耗材量为7g左右；Simplify3d打印时间为0h50min，耗材量为7.04g。
模型效果而言，Prusaslicer打印的小船模型侧面线性纹理较为明显，无明显斑点。顶部轮廓较为光滑，未出现明显空隙。底部文字较为清晰。
Creality Slicer打印的小船模型侧面线性纹理较为明显，有明显斑点。侧面船身部分层出现空隙，顶部轮廓较为光滑，未出现明显空隙。底部文字较为清晰。
Simplify3D打印的小船模型侧面线性纹理不明显，无明显斑点。顶部轮廓较为光滑，但出现些许空隙。底部文字非常清晰。
图12 模型侧立面对比图
图13 模型底面对比图 图13 模型底面对比图
图14 模型顶面对比图
3.2.2 实验二：填充实验
接下来的实验围绕填充图案进行比较分析。填充的主要目的是为顶层提供内部支撑，避免顶层和底层之间出现空白间隙。填充还影响打印速度、结构强度、耗材消耗甚至打印模型的外观【9】。打印不同模型时，可能需要不同的填充图案和填充率。下面就不同的填充图案，对于模型打印时间、耗材消耗以及结构强度的影响进行分析。
实验模型为一个长方体，XYZ尺寸为40mm、40mm、10mm，切片软件将使用Prusaslicer，打印机为CR-10Smart。填充图案为软件中流行的6种图案，分别为直线、网格、三角形、蜂、3d蜂窝、回环。
图15 prusaslicer填充图案展示
图16 实际模型展示
实验结果，直线、网格和三角形打印时间一致为23min，蜂窝、3d蜂窝和回环打印时间加长1分钟为24min。耗材量三角形最省，消耗材料为5.07g，蜂窝耗材量最多，消耗材料为5.31g。实验强度测试为对着测试用的长方体的壁，一刀斜切下去，看层开裂的情况判断效果。强度等级为三级，I级到Ⅲ级逐级增强。
表3 填充图案实验结果
3.2.3 实验三：回抽实验
喷嘴从一个地方移到新的位置时，耗材从喷嘴中垂出来了，使得打印机上残留细小的耗材丝线，这种现象称为“拉丝”。
图17 “拉丝”现象示意图
解决拉丝问题，最常用的是方法是 “ 回抽 ” 。如果回抽是开启的，那么当挤出机完成模型一个区域的打印后，喷嘴中的耗材会被回拉，这样再次打印时耗材会被重新推入喷嘴，从喷嘴顶部挤出。回抽最重要的设置是回抽距离，它决定了多少耗材会从喷嘴拉回。一般来说，从喷嘴中拉回的耗材越多，喷嘴移动时越不容易垂料。实验将使用一个“尖塔”模型，设置回抽距离分别为0mm、3mm、6mm，最终看打印模型的“拉丝效果”。
图18 回抽实验模型示意图
从结果来看，因为没有设置回抽距离，0mm的模型拉丝现象严重，3mm的出现部分拉丝现象，而6mm的模型拉丝现象不是很明显。打印时间上，没有设置回抽的模型用了19分钟，而设置3mm和6mm回抽距离的模型，在打印时间上差距不是很大，分别为23分钟和24分钟。要保证没有拉丝现象，同时还可设置回抽速度、喷头温度等。设置合适的回抽速度如60-100mm/s、或者将喷头温度适当下降5到10度，也有助于减少拉丝现象的发生，从而提高打印模型的效果。
3.2.4 实验四：悬挂测试
这个实验将测试在没有任何支撑的情况下，打印机能够打印的最大悬挂角度。随着悬挂的角度增大，挤出的耗材在没有被完全冷却的情况下可能会下垂，从而导致打印效果不佳。通过寻找合适的悬挂角度，有助于我们在支撑设置时，选择一个相对较高的阈值，尽可能地减少设置支撑，从而减少耗材的使用，节约成本。
图19 悬挂模型预览
实验结果：从侧立面的视图，我们可以看出模型并没有出现严重的材料下垂现象，保持了一致性和完整性。而模型正面的温度刻度并没有打印的非常清晰，挤出物部分出现粘连现象。我们关心的悬挂角度和打印效果之间的关系则可以从底视图看出，当悬挂角度达到65度时，底部的打印线条出现突起，随着角度增大，打印线条愈发不平整。最终当达到80度到85度时，打印线之间出现裂缝，且突起严重。要解决这个问题，我们可以通过增加支撑、增加风机功率或者减小打印速度等进行调整。
图20 悬挂模型实验结果三视图
3.2.5 实验五：光固化vs熔融沉积成型
前文已经大致比较了光固化技术（SLA）和选择性区域光固化技术（LCD）两者的原理和功能。在这个实验中，我们将聚焦两种打印技术在模型打印的精度、时间、耗材等各方面的表现，进一步了解不同打印技术的特点和效果。这次打印的模型为埃菲尔铁塔，因其细部结构较多，能够进一步体现打印模型的整体效果。光固化打印机采用的是创想三维LD-006，熔融沉积打印机采用的是创想三维旗下的CR-10Smart。
图21 光固化打印机
实验结果：光固化模型打印时间为18h21min，基础损耗为20ml光敏树脂，总消耗约为50ml光敏树脂。熔融沉积打印机正常打印时间为15h38min，耗材量为33gPLA。模型效果如下图所示，左图为熔融沉积打印机打印的模型，因为细节在打印时出现堵料的现象，打印并没有完成，右图为光固化打印的模型，模型完整，细节精致，除塔上部部分因为细节太小，导致没有做到完美镂空的现象。这里要说明的是，光固化机的细腻程度取决于屏幕的分辨率，即每个像素点的尺寸大小，最小能达到0.01mm。熔融沉积打印机的细腻程度则取决于层高，大致最小分辨率在0.1mm左右。所以对于精细手办等模型的打印，光固化打印是更为推崇的打印手段。但是，光固化的原料为光敏树脂，价格比较贵，约1000ml的树脂材料，价格为100元，大约是普通FDM料的2-3倍，打印大件的时候需要考虑成本，树脂同时含有特殊气味，打印应注意通风防护。
图22 熔融沉积模型vs光固化模型
3.2.6 实验结论和探讨
实验从五个方面进行比较分析，前四个分别为3D打印切片软件、填充图案、回抽距离和悬挂角度。
● 从切片软件实验中，我们可以看出在近似相同的配置下，Prusaslicer和Simplify3D的打印效果较好，其中Simplify3D的打印时间最短。但我们也相信切片软件的配置与打印模型效果有着密不可分的联系，通过不断调整参数以达到最合适的配置，各个软件打印出的模型效果也会越来越好。
● 第二个填充图案的实验中，我们发现三角形和网格的模型强度最好，其中三角形的耗材量也是最少的。对于小的模型,非功能性的模型我们可以采用网格、三角形、直线等图案，而对于工具类的模型所需强度也更大。除了增大填充密度的同时，采用立方体和陀螺型的更佳。
● 在回抽实验中，开启回抽设置有助于减少拉丝的现象，其中6mm的回抽距离设置要明显好于3mm的回抽距离。当然合适的回抽速度如60-100mm/s或者将喷头温度适当下降5到10度，也有助于减少拉丝现象从而提高打印模型的效果。
● 在最后的悬挂测试中，当悬挂角度达到65度时，打印线条质量变差，最终当达到80度到85度时，打印线之间出现裂缝，突起严重，影响模型美观。
● 最后一个为FDM和LCD打印机的对比，LCD打印机在模型精度上有着更高的效果。但是打印成本也相对较高。
上述测试是笔者对于3D打印初步认识后的研究，因样本存在非普遍性，所以对于实验的结果提供部分参考。未来在对于3D打印有了更深一步的理解后，也将对于软件的其他参数进行比较，再与大家分享。
04 应用场景3D打印技术对现阶段的项目也有着不错的效果。对于历史古建测绘建档项目来说，现存古建筑多少会有不同程度上的损坏，运用3D打印技术可以将损坏的构件通过精确测量、构建模型，最终将所需构件打印成实体，将相应部件进行替换。与传统相比，人工费用较为昂贵，而以3D打印技术替代人工则可大幅度降低成本。传统的大木作由人工制作完成，精度难免有误差，而3D打印的电脑三维模型以毫米为计算单位，在精度方面远远高于传统的修缮方式。
图23 斗拱模型
另一个应用方向：对于其他BIM建筑模型，较小比例的模型可以用于向客户展示建筑的细节，同时一个3D打印建筑模型可以将设想和草图真实地表现出来，便于攫取出最佳方案。此外，3D打印还可以更加灵活地处理模型，如果客户提出修改意见，可以在文件上简单编辑再重新打印。
图24 3D打印建筑模型
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