2022 新手的 3D 打印之旅

本文来自博主 LanternD's Castle,经授权发布于《美国攻略》。原文在此

工作之后有了一些业余时间,于是我就开始盘算着弄一台 3D 打印机来实现我的一些想法。其实我觊觎 3D 打印机已经多年,但是我愿意为之花钱的心理账户一直钱不够。同时也没有必须要买的理由(生活不会有显著变化),于是它就在 Wishlist 徘徊了多年。

2021 年 9 月 11 日的时候我终于下决心买了一台,型号是 Prusa Research 的 Original Prusa MINI+ (为啥有个「Original」呢?因为他们把硬件软件都开源了,其他人可以有自己的版本,所以用这个词以示区别)。看各种测评的时候 Derek 的文章给了我不少启发,广告一下:《11 款最好的 3D 打印机推荐》。之前这篇文章上面是有 Prusa MINI+ 的,但是好像最近删掉了。还有另一篇介绍 Pursa Research MINI + 的文章:《Original Prusa Mini+ Review: Mega Mini – All3DP》,仅供参考。

咱普通人用的 3D 打印机大概就两种原理:

  • 一种是材料 – 熔化 – 堆叠(FDM),这种比较传统,符合大部分人对 3D 打印机的想象。便宜,好用,可打材料种类多。缺点是精度(相对)差一些,时间也长。
  • 另一种是光固化,原理是一种特殊液体树脂在特定波长光照下会变硬。这种打印克服了上面的缺点。额外的缺点是味道大,清洁费事。

我买的是第一种,原因是我对打各种 ACG 里的模型、雕像等等精细模型不太感兴趣,所以也就不需要太高的精度。我更喜欢做一些机械结构方面的设计和加工,用 3D 打印出来的东西提高生活的效率,同时会尽量兼顾美观,FDM 型的已经完全能够满足我的要求。总之我在挑选这两个大类面前没有太费心思。但是选择具体型号确实用了些功夫,在 Prusa i3 MK3S+  和 Prusa MINI+ 之间徘徊了很久。本着新手不用太高级的想法(以前经验教训太多了),就还是选了便宜的。

货不到一周就从捷克 FedEx 送到了我这。然后我大概组装了一两个小时,接着就开始了我的打印之旅。

打印的流程

第一次玩 3D 打印会觉得有些复杂,总统来说要经过四大步骤:

  1. 在 3D 建模软件里面设计模型,既可以是艺术向的游戏、电影等 3D CG 建模,也可以是机械设计里的非标数模设计。
  2. 将模型三角形栅格化(Point-cloud triangulation),导出成 STL 或者类似的模型。 STL 模型是业界最通用的文件格式。放在软件领域,它相当于可执行文件,放在办公软件领域,它就像 PDF 。
  3. 切割:用 PrusaSlicer 或者类似的软件对 STL 模型进行切割,分成很多很薄的层,然后生成出 3D 打印头运动轨迹的 G-code(工科的朋友们应该对这个熟悉)。此外,一些形状奇怪的结构,比如悬浮在空中的,需要加支撑结构,通常也是在这一步完成。
  4. 打印。有了这个 G-code,我们就可以加载进打印机里开始作业了。这一步也能体现出不同的打印机的区别。不同人对「区别」会有不同的感知,这就不细说了。

上面这四步中,第一和第三步很大程度决定了出来模型的好坏。门槛最高的是第一步 —— 设计。我对 CG 建模不是很了解,但是对机械相关的设计还是有些经验(本科玩科创学的)。正是这部分知识给了我会频繁使用并能够驾驭 3D 打印的信心。

下面是个简单的例子来显示出不同的步骤。

第一步:在建模软件里设计出样子
第二步:导出成 STL 文件
第三步:在 Slicer 里面分层,生成 G-Code

这个软件右边有个滚动条,拖动它可以预览不同的层的样子。从最低拖到最高就能看到整个部件从无到有的过程了,很有意思。这个软件还会告诉你打这件东西需要多少米的耗材、等效的美金是多少、需要多长时间等等。可谓还没开始打就已经胸有成竹了。似乎很高级很智能,但原理上和打印纸张前的预览非常接近。

(第四步打印可以在下面的图片找到)

上面的每一项 B 站或者 YouTube 都有很多教程可以学,我就不班门弄斧了。但其实除了第一步费时间以外,其他的操作时间都是几分钟搞定。如果我们去网上找别人的作品,可以直接跳过前两步,省很多时间,缺点就是没了乐趣,也不太可能实现自定义。我建议还是得至少学一些建模知识,不然只依赖其他人的设计,3D 打印机很可能最后会沦为吸灰工具。

Hello 3D Printer

正如编程语言学习中的第一段代码是打印「Hello World!」一样,3D 打印也有自己的 Hello World,那就是 Benchy,一只小船。它在 3D 打印社区里它地位如此之高,以致于有大量与之相关的周边甚至有 Geek 按真实世界的比例做了一艘。

我打印的第一个作品当然就是 Benchy 了。尽管我已经看过太多 3D 打印的视频了,但实际看着打印材料(PLA)从喷头中被挤出,在面板中逐渐成型的样子,像是变魔术一样无中生有,令人着迷。打印这样一个东西需要 2 小时,似乎很长对吧,但是一旦开始打印了就不用管了,到点回来确认即可。尽管如此,作为第一件作品,我还是盯着它看了至少一个小时。

打完以后我拿在手里把玩了许久。摸了摸 3D 打印特有的分层纹理,感觉其实要比我想象中更加光滑。 3D 打印技术这些年确实有了长足的进步,要知道这种打印精度在四五年前那都是 2000 美元以上的 3D 打印机才能实现的。

Benchy 成型中,封顶大吉
第一件打印品 —— Benchy 大功告成

分层打印最大的问题(之一)是斜面结构只能用不同层去近似,导致成品会有明显的锯齿结构(? 小船边沿部分)。解决方法要么是换光固化打印机,要么是后期砂纸磨平。我的解决方案是,不去解决它。

打印完 Benchy 以后,连着好几天晚上我都在网上找其他人设计的模型来打印。

那么,去哪里找模型呢?All3DP 这个网页  总结了很多可以找到模型的地方,可以参考。我逛得最多的是 Thingiverse 。逛这种社区最大的感受就是世界之大无奇不有。人类作为整体的想象力和动手能力真的很强。

第二件作品 —— Apple Watch Dock

Thingiverse 社区里确实有很多我想打印的东西,不过最终决定我要不要打印的是这件物品的实用性,而不是美观、有趣程度。很快我就定位到了下一件我想打的东西:一个比较酷的苹果手表充电座。

链接:Apple Watch Charging Dock – Classic Mac

这个东西我在知乎上看到有人也打过。? 上面网站里也有原作者自己拍的图,效果更好。这里我就放一下我自己打印出来的效果图吧。

打印完其中一件了(一共有两个零件)

诚然原始设计的象牙白色更接近我心中它应该有的样子,但我手头也没有相应颜色的线材。我也是通过打这一个作品才知道,原来 3D 打印机切换线材不影响最后成品。而且两种颜色合在一起的效果也挺酷 ? 的。

它充着电的时候的样子真的很像一台老式苹果台式机。

实际使用效果图

这个东西我用了很长一段时间,但最近我换了第七代 Apple Watch 。表盘比较大,不太合适塞进去。目前它正在徘徊在被打入冷宫的边缘。

第三件作品 —— AirPods 底座

第三件 3D 打印作品也是别人设计的,一个放第一代 AirPods 的座。类似的功能的底座有很多种设计,一搜一大堆。我选中这件只是比较欣赏它和桌面相连接部分的圆弧倒角。我想找一个酒杯 ? 那样的高脚杯设计,但是没找到。

链接:Charging Dock for AirPods

它其实有个孔可以把 Lightening 接口在底下连接,这样可以把 AirPods 壳往上面一放就充电。我自己对这个功能没什么需求,所以从来没把线放进去过。有时候线的弹力会让整个底座(很轻)翘起来在桌面上,显得很不优雅。

打印这一件的时候,红色的线材(灰的、红的都是附送的,很短)也耗尽了,于是后半段我换成了一大卷「星空黑」(黑色的里面掺杂了一些银色颗粒提升质感)颜色的线材。最后打出来的效果也很赞。

第一层像是用笔在涂颜色
双色无缝切换
实际使用效果图

放上 AirPods 以后效果没有我想象中那么好。因为它的内部太浅了,导致 AirPods 有三分之二露出在外。另外我期待的是 Dock 的内壁能和 AirPods 紧密贴合,但是事实上也有很大的缝隙。用手摸的时候 AirPods 会来回晃动。不过瑕不掩瑜,它总体令我满意。如果我有时间的话一定会重新设计一个符合我想象的模型。

现在回头看,我初期打印的东西都属于桌面上的小摆件。确实,有了这些东西以后我的桌面慢慢显得不一样了。我东西用完以后就会放到特定的壳或者座里,而不是像以前一样,用过的东西随手一放,让桌面变得凌乱。不过话说回来,上面这两件东西的色调还是太深了,尤其是这个正红色,过于抓人眼球。我比较喜欢在桌面上放点浅色的东西。我下一卷线材买的是象牙白色,但是还没有开始启用。毕竟一公斤线材能打好多好多的东西。

第四件作品 —— 桌子护角

这个是我躺床上看到旁边 IKEA 床头柜的尖角突然想到的东西。我开始幻想半夜如果我起床没有灯光,不小心头一下磕到床头柜的样子…… 我感觉我需要给柜子加点防护。于是我就又去 Thingiverse 搜到了这个东西:

链接:Corner Guard

这件物品有着特别的表面设计,即使是现在的我也没法 100% 设计出它的样子。这件原始大小大约是边长 2cm,对我来说有点大,我就缩减了一些。在 Slicer 里面可以随意调节物体的大小,十分方便。最后我调节到了直角边长 1.5cm,打出来正好。像图中这种带悬空的结构就得上支撑了。 Slicer 里面也有自己生成支撑结构的算法,不想管的话就直接按默认的就好了。

3D 打印产生的分层纹理在两个侧球面上很正常,是一堆弧线叠在一起。而在第三面则能看到一圈圈的等高线。

打印好了,第一次尝试加支撑结构。支撑还需要后期手动抠掉

对了,在 Slicer 里面可以排列多个同一件物品,这样可以一份 G-Code 打印好多东西。上面就是一次做了四份。

后来我想根据实际应用场景来涂上相同的颜色,于是就去买了点 Mont Marte  亚克力漆和 Tamiya Primer(模型补土喷漆)。然后把这个桌子护角上了个色,所以现在就是带颜色的版本了。

改头换面后的样子。调色好费劲 ?

以上的东西都是我从网上找来打印的。一方面作为 3D 打印新手仍需要一个学习过程,另一方面,机械设计相关的东西我也忘了好多了,还得从头学习一下,尤其是现在没有 SolidWorks 了(以前学校有 License),得自学一下 FreeCAD 。

之后我就开始了我自己的 DIY 之旅。我自己设计的东西,以及关于 3D 打印的知识点、 Tips 等等就放到后面的日志再介绍吧。

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