Lei Feng Fab Academy 2025

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第五周：3D 扫描与打印技术 ​

本文档内容由我向 Grok 3 提供课程大纲链接 http://academy.cba.mit.edu/classes/scanning_printing/index.html，以及本课程视频会议课程的字幕后，由 AI 提炼生成。

概要： ​

关键要点：

  • 本讲义基于 Fab Academy 3D 扫描与打印课程，适合初学者，涵盖 3D 打印和扫描的基础知识。
  • 包括材料选择（如 PLA 和 PETG）、设计规则、打印与扫描技术，以及相关软件和作业。
  • 令人惊讶的是，3D 打印不仅能制作复杂形状，还能减少浪费，适合嵌套部件制造。

什么是 3D 打印和扫描？ ​

3D 打印（增材制造）是通过逐层添加材料创建三维物体的方法，与传统减材制造（切削材料）不同。3D 扫描则是捕捉真实物体形状并转化为数字数据的过程。

  • 3D 打印的优势包括处理复杂设计、减少浪费、适合嵌套部件制造。
  • 扫描技术如摄影测量和激光扫描帮助创建数字模型。

材料与安全 ​

常用材料包括 PLA（易打印但易脆，玻璃化转变温度约 60°C）和 PETG（更坚韧，约 80°C）。

  • 注意安全：打印机可能释放微粒和挥发性有机化合物，需确保通风；食品接触物需用安全材料。

设计与技术 ​

设计时需考虑支撑结构、壁厚和表面光洁度。打印技术包括 FDM（熔融沉积成型）、SLA（立体光刻）等。扫描技术如摄影测量（用多张照片重建模型）和激光扫描（用激光测量距离）。

软件与作业 ​

使用软件如 MeshLab（网格处理）和 PrusaSlicer（切片）来准备打印。作业包括设计并打印一个无法通过减材制造的物体，以及扫描一个物体（可选择打印）。

详细报告 ​

本讲义基于 Fab Academy 课程“3D 扫描与打印”的大纲（http://academy.cba.mit.edu/classes/scanning_printing/index.html）和 Neil 教授视频字幕的转录内容，旨在为初学者提供全面且易懂的指导。以下是详细内容，涵盖课程的核心主题和技术细节。

课程背景与概述 ​

Fab Academy 是一门专注于数字制造的课程，其中“3D 扫描与打印”模块探讨增材制造和三维扫描的基本原理、材料、设计规则、工艺流程和应用。课程内容基于 Neil Gershenfeld 的讲授，结合互动讨论和实践作业，强调动手能力和可持续性。

3D 打印的基础知识 ​

3D 打印（增材制造）通过逐层添加材料创建三维物体，与减材制造（从材料块中切削）形成对比。其主要优势包括：

  • 高复杂性低成本：可以轻松处理复杂几何形状，传统方法可能成本高昂。
  • 嵌套部件访问：允许打印相互嵌套的部件，无需额外组装。
  • 净形制造：打印出的物体接近最终形状，减少后处理需求。
  • 减少浪费：仅在需要的地方添加材料，相比减材制造更环保。

转录内容中提到，3D 打印的局限性包括分辨率、时间成本和材料限制，但这些对初学者理解整体概念影响较小。

材料选择与安全考虑 ​

3D 打印的材料选择对打印质量和应用至关重要。常见材料包括：

  • PLA（聚乳酸）：源自可再生资源（如玉米淀粉），易于打印，但较脆，玻璃化转变温度约 60°C。
  • PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯改性）：基于石油，易回收，比 PLA 更坚韧，玻璃化转变温度约 80°C，抗紫外线性能更好。
  • 复合材料：如金属或木质填充材料，增强强度或改变外观。
  • 其他聚合物：ABS、HIPS、TPU、PVA，各有特定属性，适合不同应用。

安全考虑：

  • 打印过程中可能释放超细颗粒和挥发性有机化合物（VOC），需确保良好通风或使用认证打印机。
  • 对于食品接触物品，需选择符合安全标准的材料，转录中强调了这一点。
  • 材料储存也需注意，如某些材料吸湿性强（如 PLA），需干燥保存。

设计规则与最佳实践 ​

设计 3D 打印模型时，需遵循以下规则以确保打印成功：

  • 支撑结构：悬垂部分可能需要支撑，以防止塌陷。
  • 无支撑角度：不同打印机和材料对无支撑角度有不同限制，通常建议小于 45 度。
  • 壁厚：壁厚需足够以保证稳定性，但过厚会浪费材料，建议 1-2mm 为初学者起点。
  • 各向异性：由于逐层打印，打印件的机械性能沿不同轴可能不同，需在设计时考虑。
  • 表面光洁度：层线可能影响表面平滑度，可通过后处理（如打磨）改善。
  • 填充率：内部填充结构可调整，以平衡强度和材料使用，初学者可从 20% 填充率开始。

转录中提到设计规则测试是小组作业的一部分，强调实践的重要性。

3D 打印工艺 ​

3D 打印技术多种多样，每种适合不同应用：

  • 熔融沉积成型（FDM/FFF）：通过挤出熔融材料逐层堆积，适合初学者和桌面打印机，如 Ultimaker 或 Prusa。
  • 立体光刻（SLA）：使用激光固化液态树脂，适合高精度模型，如珠宝设计。
  • 选择性激光烧结（SLS）：激光烧结粉末材料，适合功能性部件，无需支撑。
  • 粘结剂喷射（Binder Jetting）：在粉床上喷涂粘结剂，形成物体，适合快速原型制作。

转录中提到其他工艺如双光子纳米打印和生物打印，适合高级应用，但初学者可专注于 FDM 和 SLA。

3D 扫描技术 ​

3D 扫描是将真实物体转化为数字模型的过程，常用技术包括：

  • 摄影测量（Photogrammetry）：通过多张照片重建 3D 模型，使用软件如 Meshroom 或 Polycam，适合初学者。
  • 激光扫描：用激光测量距离，生成点云数据，适合高精度需求，如文物保护。
  • 结构光扫描：投影光图案并捕捉变形，适合中等精度应用，如人脸扫描。
  • LIDAR（光探测与测距）：用激光脉冲测量距离，常见于大型环境扫描，如建筑测量。

转录中提到工具如 OpenKinect、Skanect 和 Scaniverse，强调扫描时的光线、背景和表面处理对结果的影响。

软件工具与工作流程 ​

3D 打印和扫描需要多种软件支持：

  • 网格处理软件：如 MeshLab、netfabb、meshmixer，用于处理扫描数据或 CAD 模型，转换为 STL 格式。
  • 切片软件：如 PrusaSlicer、Cura、Slic3r，将 3D 模型切分为打印层，生成 G-code。
  • 打印控制软件：如 Printrun、OctoPrint、Repetier，用于控制打印机运行。
  • 固件：如 Klipper，优化打印机性能。
  • 分享平台：如 Sketchfab、Thingiverse、Printables，用于分享和查看 3D 模型。

转录中提到这些工具的实际使用，强调初学者应从 PrusaSlicer 和 MeshLab 开始熟悉。

作业与实践 ​

课程包括以下作业，帮助初学者实践所学：

  • 小组作业：测试 3D 打印机的设计规则，如支撑角度、壁厚等，记录结果。
  • 个人作业：
    • 设计并 3D 打印一个小物体（几立方厘米，考虑打印时间限制），该物体无法通过减材制造完成，如内部空腔结构。
    • 3D 扫描一个物体，可选择打印扫描结果，练习摄影测量或激光扫描技术。

转录中提到作业还包括准备 AI 设计和嵌入式处理的讨论，适合扩展学习。

总结与进一步阅读 ​

本讲义为初学者提供了 3D 打印和扫描的全面入门指南，涵盖材料选择、安全设计、工艺流程和实践作业。转录内容显示课程注重互动和实践，Neil 教授强调可持续性和创新应用，如生物打印和增强现实（SLAM）。

初学者可参考以下资源深入学习：

关键引用 ​