打印机如何工作
让我们还是回到3D打印机上,这种神奇的机器激发了未来主义者和车间发明家等人的极大想象。它如何工作?
3D打印机在本质上就是计算机数字控制三轴机器的变形,两台计算机控制的发动机负责控制喷头的左右与前后运动(x轴和y轴),另有一台发动机上下移动托有被打印物体的打印机托盘或平台(z轴)。
如果你在更换墨盒时注意过桌面喷墨打印机的内部构造,就比较了解。喷墨打印机是2D打印设备,即只在x轴和y轴上工作,前后移动喷头的发动机与3D打印机中的两个发动机类似,喷墨打印机使用辊在另外一个轴上传送纸张。两者总体概念完全相同:电脑将设计转换成发动机指令,在精准的位置上迅速调用打印材质。3D打印机只是使用了更多发动机,喷射出的材质也不仅限于油墨,但做的事情与喷墨打印机没有区别。
MakerBot等3D打印机通过一个微孔挤压出ABS塑料,将材料层层重叠,这一进程称为熔融沉积成型(FDM)。另外一些更高端的3D打印机使用激光在材质盆中硬化液态树脂(立体光刻或SLA),或层层硬化粉末状塑料、金属或陶瓷,这一进程称为选择性激光烧结(SLS)。激光机器使用的材质种类更多,所获分辨率也更高,但比喷射塑料的3D打印机昂贵许多,后者更宜家用。在某种意义上,这就像是普通纸张打印机的情况:激光打印机多用于办公场所,而家庭多选用喷墨打印机。
3D打印机使用“加法”技术,即采用从物体底部层层堆积的方式打印、制作。与此相反,数控刨槽机或数控铣床等数控机器则使用“减法”技术,使用旋转工具从材料上切割或磨掉不需要的部分。因此,“加法”进程是使用材料堆积出物体“应该的”样子,“减法”进程则是去除物体“不应该有的”部分。
使用3D打印机时,软件首先检测待制物体的CAD文件,计算出如何使用最少的材料与时间制成该物体。以制作一个人物头像为例,必须打印出头像的外壁,但根据使用材料不同,需要判断具体的宽度。软件会计算出最小的宽度值,同时保持表面的强韧度。
通常,头像内壁不可见,因此无须打印。但如果没有任何内部结构,头像可能易损。因此,软件通常会生成头像内部蜂窝状支撑结构,使用最少量的材料提供最大强度的支持(如果在3D打印服务商处打印成型一个物体,通常需要向服务商支付材料费以及使用机器的工时费)。
之后,软件会在水平层面上“切片”,分解成打印机能够处理的薄片。每一薄片都是一组指令,指挥打印头在x轴及y轴方向上喷射材料或在粉末或树脂上扫射激光。当打印头移至构建区域上方时,会跟踪找到物体的整体切片,软件则会选择打印头需要移动的最短距离路径。
在一定意义上,这与近30年前引发了桌面出版运动的原始Postscript语言概念相同,都是把人们能够理解的视觉语言(以前是桌面出版中的词句与字体,现在是屏幕上的三维物体)转化成电脑能够理解的机器语言。现在的制造语言名为“G代码”。正如Postscript最初设计为巨型工业打印机的驱动语言,现在却应用于桌面打印机之上,G代码原本是为了车间工作而编写,现在在创客的工作室中的3D打印机上找到了用武之地。
当一层薄片3D打印完成之后,G代码就会向z轴发动机发送指令,将打印头略微向上移动,以便跟踪发现下一薄片,喷注堆积另一薄片层。材质按此方式层层堆积,最终完成3D打印的成品。
某些3D打印机(如使用硬化液态树脂打印的机器)在工作过程中,待制物体实际上是在原料盆中由上向下移动的,以便新一层的液体能够从上至下包裹在前一层材质之外,通过激光硬化。此类3D打印的分辨率高达数十纳米,打印结构与人类细胞大小相同。另外一些3D打印机则使用黏合剂粘贴极薄的塑料薄膜,然后打印头在每层上切割出形状。但基本原理相同:以尽可能薄的分层薄片堆积成型被打印物体。使用高品质3D打印机时,根本看不出薄片分层。
使用激光硬化粉末成型物体的3D打印机有诸多优势,其中之一便是未硬化粉末仍然密集堆放在托盘上,可以对被打印物体的悬垂部分起到结构性支持作用。粉末真正冷却之前,都会呈下垂状态。打印进程结束后,操作人员取出成型物体,刷去多余的粉末。在喷射熔融塑料的3D打印机上也可使用上述方法,但通常是在做第二个头像时使用比较理想:此时托盘上已有一层粉末或其他不用的废料,必须使用支撑杆支撑上层的下垂部分。
所有这些制造计算听上去都相当复杂,但全部是自动完成的。实际上,看起来就像是变魔术。这就是数字制造之美,你无须了解机器的工作原理或知道应如何优化机器的刀具路径,这些工作统统都由软件完成。物体的CAD设计中已经包含了3D打印机计算制作方法的所有必需信息。
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