3D 打印机：逐层成形的原理

从打印床上逐渐长出的小船

把一台桌面 3D 打印机放在桌上，开始打印，十分钟后回来，打印床上出现了一个薄而平的形状。一小时后再回来，就有了一艘小船。整个过程没有切削掉任何东西。打印机把一根塑料丝推过高温喷嘴，一次画出小船的一个平面切片，每片厚 0.2 mm，每片都趁下方的切片还温热时粘在上面。

演示展示的就是这个过程。一台通用的开放框架打印机放在工作台上。打印床前后滑动，打印头左右滑动，承载打印头的横梁逐层上升。床上的零件并不是一个逐渐显露出来的成品模型，而是按照真实打印机的顺序逐线铺设：先是支撑，再是壁面轮廓环，接着是实心表皮和内部的稀疏填充。最新铺下的线会短暂地亮成橙色，类似喷嘴下刚挤出的塑料。打开「剖面」后，零件的前半部分被切去，你可以看到填充在壁内逐渐形成。

你可以选择 14 种形状，从 20 mm 测试立方体到火箭喷管和自己的塑像，还能调整切片软件通常提供的设置：层高、壁数、填充及其图案、支撑、打印床附着、材料、速度和冷却风扇。每次调整，页面都会重新切片，估算层数、耗材和打印时间。其他视图展示以 G-code 表示的喷嘴路径、在打印床上重现的七种常见故障、用树脂打印机和粉末床设备制作相同形状的过程，以及一个摆着数米长打印件的院子，旁边站着身高 1.7 m 的人物作为参照。

这些数值都带有说明。层数、耗材长度和质量直接由几何形状与密度算出。打印时间、强度和悬垂极限则来自为本页编写的模型，演示中标为「模型」，本文最后一部分会说明这些模型没有考虑的因素。

打印机在做什么

工作台上这种打印机，在家庭、学校和图书馆里最常见。人们通常称它为 FDM 或 FFF 打印机。该领域的国际标准 ISO/ASTM 52900 将这一工艺称为材料挤出：通过喷嘴或孔口选择性地分配材料。S. Scott Crump 于 1989 年 10 月申请了用这种方式制造物体的专利，也就是通过移动的分配头挤出热塑性塑料；专利于 1992 年 6 月获批。

从线盘开始沿塑料的路线看。耗材是一根直径 1.75 mm 的塑料丝，缠绕在线盘上，一盘通常装一千克。挤出机中的两个带齿齿轮夹住它，将它向下推入热端。热端顶部是带散热鳍片的散热器，散热器和加热器之间有一根称为隔热喉管的细管。它们的任务是让耗材在最后一刻之前保持固态：如果过早软化，耗材就会在管中弯曲，而不是继续被推送，喷嘴便会堵塞。隔热喉管下方是铝制加热块，装有加热棒和温度传感器，上面拧着一个孔径为 0.4 mm 的黄铜喷嘴。根据材料不同，塑料离开这个孔时的温度约为 200 °C 或更高。

打开「热端内部」，打印头外壳变得透明：固态耗材沿中央向下，在最后几毫米处变成发光的熔体。

三个电机使喷嘴相对于打印床移动。这种设计用一个电机让床前后滑动，一个电机通过同步带拉动打印头左右移动，而丝杠会在每层完成后将整个横梁，也就是龙门架，升高恰好一个层高。其他打印机可能让床下降而不是让头上升，或让打印头沿三个方向移动；结果相同，喷嘴都能到达一个边长约 22 cm 的盒状空间中的任意位置。

喷嘴旁有一个带风道的小风扇。它向刚挤出的线吹风，使其在下一条线铺到上面之前凝固。这个风扇比看起来更重要：下文介绍的悬垂和桥接都依赖它。

打印床是一块加热板，上面覆盖有纹理的薄板。温热的表面让首层保持足够柔软，以便抓牢薄板，也防止打印其余部分时，零件底部因收缩而脱离床面。

从 3D 模型到分层：切片软件做什么

打印机不理解形状。它理解的是移动指令列表。将 3D 模型转换成这份列表的程序叫作切片软件，它要做四件事。

它用水平面切开模型，每层一个平面，算出模型在各平面中的轮廓。然后决定每个轮廓内部画什么：沿边缘的闭环（壁）、靠近零件顶面或底面的实心区域（表皮）、其他位置的稀疏图案（填充），以及悬空部分下面可拆除的脚手架（支撑）。接着安排这些线及其间空移的顺序。最后将每次移动写成一行 G-code，并加入温度、风扇和速度设置。

本页的切片软件用简化方式执行相同步骤。每种形状都用有符号距离函数描述：对于空间中任一点，函数给出该点到表面的距离，内部为负，外部为正。页面在网格上采样这个函数，横向约 112 个单元，高度最多 150 个切片。然后把每个切片转换为自身轮廓的二维距离图，从而能在边缘以内恰好 0.21 mm（半个线宽）处放置一圈壁，再向内 0.42 mm 放置下一圈，依此类推。轮廓本身通过行进方格算法从距离图中提取，这是沿网格追踪等值线的一种标准方法。

选择形状时，读数会短暂显示「切片中」，此时正在进行这些运算。在快速电脑上只需不到一秒；在旧手机上约需一秒。

层高与层数

任何切片软件的首项设置都是层高。层数可直接算出：

层数 = 高度 ÷ 层高，向上取整

一个 20 mm 的立方体，以 0.2 mm 层高打印，恰好是 100 层。演示中的小船高 42 mm：层高 0.2 mm 时有 210 层，0.12 mm 时有 350 层，0.08 mm 时有 525 层，0.32 mm 时有 132 层。这就是立方体通常被用作首次测试打印的原因。如果成品高 20 mm，说明打印机每层移动的距离正确；如果读数与卡尺测量不符，就需要检查竖直轴每毫米的步数。

较薄的层看起来更光滑，因为曲面或斜面上层间的台阶更小。但耗时也更长，大致与层数成正比：在模型中，小船以 0.2 mm 层高打印需 52 分钟，0.12 mm 时需 86 分钟，0.08 mm 时需 128 分钟。较厚的层更快，但有一定限度，打印时间一节会解释原因。

层厚不能超过喷嘴允许的范围。压在下层上的线必须比自身高度更宽，常见经验法则将上限设在喷嘴直径的约四分之三。对于 0.4 mm 喷嘴，滑块最高设为 0.32 mm。

演示中，一艘 210 层的小船意味着每层要画数千条短线，超过手机能流畅绘制的数量。因此，页面在快速电脑上最多用 120 个可见层绘制零件，在较慢设备上更少，每条绘制的料线代表一到两个实际层。读数会明确说明（「每条线绘制 1.8 层」）。读数中的全部数值均使用实际层数。

壁、表皮与填充

打开「剖面」观察打印件，可以看到三种塑料结构。

壁是围绕每层轮廓的闭环。0.4 mm 喷嘴打印两圈壁，可形成约 0.8 mm 厚的外壳。外圈以半速打印，因为这是你能看到的表面；内圈速度更快。增加壁数会让零件更强也更重。小零件中的大部分塑料最终都在壁里：小船的壁面闭环路径合计约 45 米，而稀疏填充只有 4 米。

表皮是零件的实心顶层和底层。只要零件在某层上方或下方的设定距离内结束，切片软件就会将该层相应位置填实；本页顶部使用 0.8 mm，底部使用 0.6 mm，因此层高为 0.2 mm 时，就是四层顶层和三层底层。表皮线沿 45 度方向铺设，每层转动 90 度。

填充是其余部分：用稀疏图案撑开壁面，并承担部分载荷。在 15 % 填充率下，壁内空间约有 15 % 是塑料。演示提供五种图案：

• 直线：平行线，每层转动 90 度。速度最快，横向最弱。
• 网格：每层都有两个方向。每层的线在相同位置相交，因此喷嘴会跨过自己已铺的线。
• 三角形：三个方向互成 60 度，在层内各方向上都有较高刚度。
• 螺旋曲面：随高度变化而平移的波浪线，沿着 Alan Schoen 在 1970 年 NASA 一份极小曲面报告中命名的曲面分布。这个曲面不自交，却将空间分成两个交错的部分，因此各方向的强度相近，喷嘴也不会跨过自己的线。
• 蜂窝：六边形单元。相对于重量而言强度高，但转角使打印速度较慢。

填充有多大影响？Fernandez-Vicente 及同事在 2016 年的研究中，以不同填充密度和图案打印拉伸试条，发现填充比例对强度的影响远大于图案选择。演示中，20 mm 立方体在 15 % 填充率下使用 3.4 g 耗材；100 % 时使用 9.9 g，耗时超过两倍（40 分钟对 18 分钟，均为模型值）。在 15 % 填充率下，立方体约三分之一是塑料，其余是空气。

演示中的强度指数是模型值：零件截面中承载塑料的比例，填充根据图案按低于实际占比的权重计算，再乘以材料系数。它适合比较同一形状的不同设置，不适合预测真实零件的断裂载荷。

为什么打印件跨层方向更弱

打印件并不是整块塑料，而是一叠料线，每条线都趁仍然高温时，与相邻线及下层焊合。这些焊合处通常达不到料线自身的强度。

这一效应已被多次测量。2002 年，Sung-Hoon Ahn 及同事测试打印的 ABS，发现其强度很大程度取决于料线相对载荷的方向：沿料线拉伸时，试条比载荷将线彼此拉开的情况强得多。2017 年，Chacón 及同事分别平放、侧立和竖立打印 PLA 试条；跨层受拉的竖立试条最弱。2016 年 NIST 的聚合物增材制造路线图，将这些焊合处的强度列为难以测量和预测的性能之一。

演示中的壁挂钩说明了后果。竖着打印时，外套的载荷会把钩柄的各层拉开；读数给出的承载强度为 29。侧放打印时，载荷沿料线传递：同样重量的塑料，数值为 48。模型对 PLA 使用的两个方向间系数为 0.6，这是此类试验报告范围内的一个整约值；实际系数取决于温度、速度、冷却和零件本身。

工作间里藏着一个在两层之间整齐裂开的挂钩。竖立打印件断裂时通常就是这个样子。

悬垂、桥接与支撑

每一层都必须打印在某种东西上。在竖直壁上，每条线都正对着下方的线。在倾斜壁上，每层比下层略向外伸出，部分悬在空气中。这能延伸到什么程度？

常用经验法则是偏离竖直方向 45 度。在这个角度下，层高 0.2 mm、线宽 0.42 mm 时，每条新线与下方的线重叠约一半，足以在冷却时托住它。超过这个角度，线就开始下垂；超过很多时，塑料无处支承，会成丝垂落。Jiang、Xu 和 Stringer 在 2018 年的支撑结构综述中将 45 度列为常用阈值，并列举了模型超过阈值时切片软件构建的多种支撑。

演示中的悬垂测试是一条按你选择的角度向外倾斜的臂。页面将各朝下表面与临界角比较，并报告悬空面积。对于开启风扇、层高为 0.2 mm 的 PLA，模型极限是 45 度。关闭风扇后降为 33 度，因为料线保持柔软的时间更长。较薄的层会稍微提高极限：0.12 mm 时每层外伸更少，模型允许约 48 度。这些都是按常用经验法则选定的模型值；真实打印机的极限取决于塑料、温度、速度和风扇，这也正是人们要打印悬垂测试件的原因。

桥接是例外。两根立柱间的水平跨度是最极端的悬垂，打印机却能在没有支撑的情况下跨过 20 或 30 mm。桥接线两端固定：喷嘴像拉绳一样将它拉过间隙，风扇在它下垂之前将其冷却。演示中的桥有 26 mm 长的桥面，可以顺利打印；页面把不超过 30 mm 的跨度视为可桥接（模型值）。小船和房子窗户的顶部也属于桥接。

模型超过极限时，切片软件会添加支撑：悬垂下方稀疏的线柱，按便于事后掰除的方式打印。「接触打印床」只在能够立于床上的位置生成支撑；「所有位置」也会在零件自身上方生成。支撑消耗耗材和时间，还会留下痕迹。演示中，40 mm 球体没有支撑会失败（其下半部越靠近床，悬垂越严重），有支撑就能打印。火箭喷管也会失败：窄喉部上方的壁向外张开，添加支撑会使打印增加约 22 分钟和 6 g 耗材。

成本最低的支撑就是不用支撑。把零件翻转、分成两半，或将平顶改成 45 度倒角，往往能免去支撑。演示中的小船在设计时就考虑了这一点：船体向外倾斜从不超过 25 度。

首层与打印床附着

首层如果粘不住，上面的任何部分也粘不住。首层以低速打印（模型中为 25 mm/s），并稍压在床上，使它铺展开并抓牢表面。热床有帮助：PLA 通常约用 60 °C，PETG 用 80 °C，ABS 用 100 °C。

塑料冷却时收缩，而打印件自下而上的冷却并不均匀。上层以高温铺在已经收缩的层上，冷却时自己也收缩，拉扯下面的层。在又长又平的零件中，拉力在角部累积，使角部卷起并离开床面。这就是翘曲。Wang 及同事在 2007 年建立模型，将其归因于这种收缩和层间温差，零件越长、材料收缩越大，问题就越严重。ABS 比 PLA 收缩大得多，所以打印 ABS 要用封闭机箱和高温热床。

切片软件提供三种辅助手段，都在「打印床附着」滑块上：

• 裙边是在开始打印零件之前，距其周围几毫米处画的一圈线。它给喷嘴预充料，并显示首层是否调平；它不接触零件。
• 底边是紧贴首层周围的几圈线，像帽檐一样与首层相连。它扩大压住角部的面积，之后剪除。
• 筏层是整个零件下面由数层组成的厚平台。它固定得最牢，代价也最高。

用 ABS 打印小房子，仅加裙边时，模型的翘曲风险为 1.28：角部会抬起，演示会显示这个现象。加上底边后，风险降至 0.58，低于模型阈值 0.7。同样的房子改用 PLA，仅有裙边时风险为 0.27。

打印时间：分钟花在哪里

读数中的打印时间，是本页最明显依靠模型的部分，也是人们最想知道的数值。

切片软件知道每条线有多长，因此初步估算很简单：将全部长度相加，再除以速度。在模型中，小船的壁面闭环约有 45 m，表皮线约 36 m，稀疏填充约 4 m，另有约 21 m 空移。在初始速度 60 mm/s 下（壁较慢，填充较快），这些就占了 52 分钟中的大部分。

有三个因素会使打印比这样算出的时间更慢。

加速。 打印头不能瞬间改变方向。短线和尖角意味着它很少达到全速。模型为此在全部打印时间上增加 25 %。

换层。 每层结束时，打印头抬升、移动，再重新开始。模型每层增加 1.4 秒，对于 210 层的小船，合计约五分钟。

流量极限。 热端每秒能熔化的塑料有限。配备 0.4 mm 黄铜喷嘴的常见热端，每秒大约能处理 10 至 15 立方毫米（典型数值，并非实测）；模型对 PLA 使用 15。每毫米料线中的塑料体积为线宽乘层高，0.42 × 0.2 = 0.084 mm³，因此层高为 0.2 mm 时，热端能跟上最高约 179 mm/s 的速度。层高为 0.32 mm 时，相同流量只允许 112 mm/s。这就是厚层节省的时间可能不如预期的原因，也是将速度调到极限以上毫无收益的原因：读数会在此时警告。

房子任务展示了这种权衡。初始设置下，小房子约需 70 分钟。层高设为 0.28 mm 时约需 51 分钟，再把速度设为 100 mm/s 后约需 47 分钟。填充对房子几乎没有影响，因为它的壁很薄，几乎全部结构都是壁。

读数还给出现在开始打印会在什么时刻完成。控制区顶部的播放速度设置延时倍率：在「×100」下，演示中的一秒等于打印的 100 秒；在「实时速度」下，喷嘴按真实打印机的速度移动。

耗材：克与米

打印件中的塑料体积，等于全部料线长度乘线宽再乘层高。由这个体积，结合两个数值，就能求出耗材长度和质量。

直径 1.75 mm 的耗材截面积为 π × 0.875² = 2.405 mm²。每米含有 2,405 mm³ 塑料，即 2.405 cm³。PLA 密度约为 1.24 g/cm³，因此每米约重 2.98 g，1 kg 线盘约装 335 m。小船消耗 2.98 m，即 8.9 g；整盘大约能打印一百艘。

演示中其他材料采用典型密度：PETG 约 1.27 g/cm³，ABS 为 1.04，TPU 为 1.21。不同品牌会有差异，因此演示将其标为典型值。同一艘小船用 ABS 打印重 7.5 g，因为 ABS 更轻。

每一克塑料也都必须经过挤出机。G-code 中的「E」数值表示推入的耗材毫米数：层高 0.2 mm 时，1 mm 长的料线需要 0.084 mm³ 塑料，即 0.0349 mm 耗材。

G-code：打印机只会沿直线移动

打印机从未见过小船。它接收的是一个文本文件，每行一次移动，使用名为 G-code 的语言。典型的一行是

G1 X120.50 Y98.20 E3.2104

意思是：沿直线移到 X = 120.5 mm、Y = 98.2 mm，并在移动中推送耗材，直到挤出机累计送入 3.2104 mm。以 G0 开头的行表示不挤料的空移，M104 S210 之类的行设置喷嘴温度。曲线由许多短直线移动构成。

这种语言比 3D 打印更古老。它最初为数控机床标准化，机床用同样类型的移动切削金属。NIST 在 2000 年发布了其中一个版本 RS274/NGC 的参考解释器。3D 打印机使用其中一小部分，并加入自己的温度和风扇指令。

打开「喷嘴路径」，打印头除喷嘴外都被隐藏。蓝线标出喷嘴在当前层挤出塑料的位置，虚线表示其间的空移；左下方面板随着 G-code 的生成滚动显示。说明文字标出喷嘴正在执行的内容：外壁、内壁、表皮、填充、支撑或空移。

打印失败时

大多数打印失败都属于几种常见情况。材料挤出过程监测的综述，例如 Oleff 及同事 2021 年的综述，都列出相同的缺陷，以及用于发现它们的传感器和摄像机。演示中的「故障」在床上重现其中七种，每种都采用便于观察的形状和设置。

• 翘曲：角部离开打印床。冷却收缩所致，ABS 和长而平的零件最严重。底边或筏层、更热的床以及静止空气都有帮助。
• 拉丝：同一层两个部分之间出现细丝。喷嘴跨过间隙时，熔融塑料渗出。回抽（移动前略微拉回耗材）和较低温度能减少拉丝。PETG 比 PLA 更容易拉丝。
• 面条状缠结：零件松脱或被撞倒，打印机仍继续向空中挤出。结果是一堆缠结的丝。清洁的床、正确的首层高度和底边能让零件粘牢。
• 悬空打印：超过极限的悬垂，下面没有任何东西。最初的线下垂，后续层无处承托，该区域变成一团乱丝。支撑、更好的摆放方向或较缓的角度可以解决。
• 错层：从某层起，上面的全部结构横向偏移。打印头撞到翘起的角、同步带打滑或加速度过大，都会使电机丢步。上方全部内容于是打印在错误位置。
• 挤出不足：料线细且有缝隙。挤出的塑料少于切片软件要求的量：可能有部分堵塞、耗材吸湿、温度过低，或速度超过流量极限。
• 象脚：最初几层向外鼓出。它们本就被有意压向床面，又在热床上承受上层重量并保持柔软。

控制区下面的故障测验会随机显示其中一种，并询问原因。

树脂打印机：一次打印整层

将视图切换到「树脂（SLA）」，工作台上会换成另一台设备。它没有线盘，而是装有液态树脂的浅槽，槽底有透明薄膜，薄膜下面有屏幕。槽上方的平面成形平台降入液体，直到平台与薄膜之间只剩一层厚的液体。

然后，屏幕按这一层的形状发光。紫外光或紫光穿过薄膜，照到的位置，树脂会在几秒内硬化。平台抬升，将新层从薄膜上剥离，再降回比之前高一层的位置。零件倒挂在平台上逐渐长大。

ISO/ASTM 52900 将这种工艺称为槽式光聚合，它是最早的 3D 打印类型。1981 年，名古屋市工业研究所的 Hideo Kodama 在 Review of Scientific Instruments 发表了用光固化聚合物层制造实体模型的方法。1984 年 8 月，Charles Hull 申请了立体光刻美国专利，以紫外光在液态树脂表面描绘每层；专利于 1986 年 3 月获批。早期设备从上方用激光照射树脂，并将零件降入槽内。如今多数桌面树脂打印机从下方用屏幕照射；Bagheri 和 Jin（2019）的综述介绍了这两种布局。

它与耗材打印机有两点不同。树脂层更薄（常见为 0.05 mm），所以小船是 840 层，而不是 210 层。而且无论面积多大，每层耗时相同，因为整层同时曝光。在模型中，每层曝光 2.5 秒、抬升和稳定 6 秒，小船约需 1 小时 59 分钟；宽度加倍的立方体与同高细杆耗时完全相同。

未固化树脂会刺激皮肤和眼睛。美国职业安全与健康研究所 NIOSH 建议佩戴手套、护目用品并保持通风；树脂零件之后还要用溶剂清洗，再用紫外光固化。工作台上的瓶子和手套是隐藏卡片之一。

粉末床熔融：完全不需要支撑

「粉末（SLS）」展示第三种设备的剖面。成形室内装满细尼龙粉。刮刀铺出约 0.1 mm 厚的新层，激光沿层的形状扫描，将粉粒熔合，床下降一层，刮刀再铺下一层。完成后，从松散粉末块中挖出零件，再用喷射清理。

ISO/ASTM 52900 将其称为粉末床熔融。选择性激光烧结由得克萨斯大学奥斯汀分校的 Carl Deckard 开发。他在 1984 年读本科时提出想法，研究生期间与 Joe Beaman 教授共同发展了这项技术。他的专利于 1986 年 10 月申请，1989 年 9 月获批。金属粉末的激光熔融原理相同，是打印火箭发动机零件的一种方式。

令人意外的是，这样制成的塑料零件不需要支撑。零件周围未熔化的粉末托住全部悬垂，因此可以打印链环已经相扣的链条，或带有可活动铰链的盒子。Goodridge、Tuck 和 Hague 在 2012 年的聚酰胺激光烧结综述中，介绍了这一过程及尼龙占主导地位的原因。

模型中的每层耗时有两部分：铺粉约 9 秒，以及随待熔面积增长的激光时间（每秒 1,250 mm²，激光以 5 m/s 移动，扫描道间隔 0.25 mm）。小船以 0.1 mm 层高分成 420 层，约需 64 分钟。

开启「剖面」，粉末变透明，可以看到表面下面的零件；关闭后，零件直到最后都藏在粉末里，和真实设备一样。

增材制造的七种类型

「3D 打印」是日常叫法。标准名称是增材制造：通过结合材料来制造零件，通常逐层叠加，与切除材料相对。ISO/ASTM 52900 将工艺分成七类：

• 材料挤出：将材料推出喷嘴（耗材打印机）。
• 槽式光聚合：用光使液态树脂硬化（树脂打印机）。
• 粉末床熔融：用激光或电子束熔化粉末（粉末设备）。
• 粘结剂喷射：将液态胶滴到砂、金属或陶瓷等粉末上。
• 材料喷射：像喷墨一样喷出材料液滴，再用光固化。
• 定向能量沉积：送入金属粉末或丝材的同时，用激光、电子束或电弧熔化。
• 薄材叠层：将薄片逐张粘接并切割。

控制区下方的图鉴为每类提供一张卡片，其中三类可以切换演示。

大型打印：船、营房与火箭喷管

「大型打印」把镜头从工作间移到院子里，工作台和桌面打印机放在一端，旁边有一个身高 1.7 m 的人物作比例参照。

这艘船是 3Dirigo，在缅因大学先进结构与复合材料中心打印的巡逻艇。它长 25 英尺（7.62 m），重 5,000 磅（2,268 kg），于 2019 年 9 月 19 日至 22 日用 72 小时打印完成。2019 年 10 月，吉尼斯世界纪录认定它为最大的 3D 打印船和最大的实心 3D 打印物体，并认定其打印机为最大的原型聚合物 3D 打印机。这台打印机可制作最长 100 英尺、宽 22 英尺、高 10 英尺（30.5 × 6.7 × 3 m）的零件，每小时可铺设 500 磅（227 kg）材料。同一中心后来又打印了 BioHome3D，这是一座 600 平方英尺（约 56 m²）的房子，地板、墙壁和屋顶全部用木纤维及生物基树脂打印。

这面墙用混凝土制成，由龙门式打印机铺下粗料条，原理与桌面打印机铺塑料相同。2024 年，美国陆军正在得克萨斯州布利斯堡完成三栋 3D 打印营房，每栋有 36 张双层床，最多可住 72 名士兵。NASA 的 3D 打印栖息地挑战赛于 2019 年 5 月结束，各团队在四天内用 30 小时打印月球或火星栖息地的三分之一比例模型；获胜团队得到 500,000 美元。

火箭喷管代表 NASA 的 RAMPT 项目，该项目用激光粉末床熔融打印铜燃烧室，用定向能量沉积打印大型喷管。NASA 报告称，这种方法将喷管生产周期从数年缩短到数月或数周，相关硬件已完成超过 16,000 秒热试车。RAMPT 制作了尺寸为 RS-25 喷管 65 % 的喷管；演示中的尺寸是估计值，并已注明。

最小的纪录放在工作间的架子上。2014 年 11 月，国际空间站的打印机制作了第一个零件，是自身挤出机外壳的面板。2014 年 12 月，它用地面上传的文件打印了一把棘轮扳手：104 层、4 小时、长 4.48 英寸（11.4 cm）。

你与打印机

打开「你」，输入身高和体重。页面会在桌面打印机上，以 1:20 比例打印一个没有面部细节的你的塑像（身高 170 cm 对应 85 mm），并用相同的切片软件估算时间和耗材。

它也会反过来计算。人体体积大致等于体重除以水的密度，约每升 1 kg（估计值）。一个 65 kg 的人体积约 64 升；用 PLA 完全填实，约需 80 kg 塑料。以这台打印机每秒 15 mm³ 的流量极限计算，需要约 50 天不间断打印。缅因大学的打印机每小时可输出 500 磅，只需约 21 分钟。真实雕像通常打印成空心，因此这两个数值都只是帮助理解尺度。

高温、排放与树脂

桌面打印机在一个箱体中集合了加热器、运动部件和排放源。NIOSH 将这三者都列为 3D 打印危害，同时还包括激光、维护时的电气故障、溶剂和噪声。

喷嘴工作温度大约为 190 至 260 °C，打印床最高约 100 °C。两者都会造成烫伤；伸手进去之前要让它们冷却。打印机运行时，让头发、手指和衣袖远离同步带与运动轴。

熔化塑料会释放超细颗粒（小于 100 纳米）和挥发性有机化合物。2013 年，Stephens 及同事测得，桌面打印机使用 PLA 时每分钟释放约 200 亿个超细颗粒，使用 ABS 时约 1900 亿个。Azimi 及同事在 2016 年开展的较大规模研究测试了多种打印机和耗材，发现它们的排放量相差数个数量级，ABS 的排放物中包括苯乙烯。要在通风房间里打印，不要把打印机放在卧室，运行时不要俯身靠在上方。使用树脂还需要佩戴手套和护目用品。

本页模型如何工作

直接计算的内容：

• 层数，由高度和层高算出。
• 塑料体积，由每条线的长度乘线宽（0.4 mm 喷嘴对应 0.42 mm）再乘层高，加上支撑和打印床附着结构算出。
• 耗材长度与质量，由该体积、1.75 mm 耗材和密度算出。
• 哪些朝下表面的倾斜超过极限，由形状本身算出。

属于模型、在演示中标为「模型」的内容：

• 打印时间：各类料线的速度、体积流量极限（PLA 为 15 mm³/s，PETG 为 12，ABS 为 14，TPU 为 4）、为加速和转角增加的 25 %、每次换层 1.4 s，以及 150 mm/s 的空移。真实切片软件会逐次移动模拟加速，对同一零件给出的时间会不同。
• 强度指数：承载塑料占比，填充根据图案按 70 至 100 % 计入，再加上材料系数，以及跨层载荷的 0.55 至 0.75 系数。
• 悬垂极限：PLA 在层高 0.2 mm、开启风扇时为 45 度；不开风扇减少 12 度；层高每变化 0.1 mm，约增减 4 度；桥接最长 30 mm；不超过 1.6 mm 的平直凸缘视为由旁边的料线承托。
• 翘曲风险：材料收缩量乘底面尺寸，底边或筏层会降低它。

形状在单元约为 0.3 至 1.2 mm 的网格上采样，因此非常精细的细节会被平滑掉。层数超出设备绘制能力时，绘制的零件会合并层，读数会注明。演示中的故障是现象示意，并非塑料流动模拟。

可以尝试的任务

• 最陡的臂：选择悬垂测试，关闭支撑，把臂倾斜到仍能顺利打印的最大程度。然后试试更薄的层，以及关闭风扇。
• 一小时内打印房子：小房子初始约需 70 分钟；在不让它失败的前提下，将估算降到 60 分钟以内。
• 轻而强的齿轮：最多 11 g，强度指数至少 50。壁比填充更重要。
• 能承重的挂钩：同一个挂钩，改为侧放。
• 不翘曲的 ABS：用 ABS 打印小房子，选择合适的打印床附着方式。
• 不会失败的球体，以及你自己的塑像。
• 三个测验：计算层数、指出故障原因、为物体选择打印机类型。

图鉴有 48 张卡片（形状、故障、七种工艺、大型打印、材料、填充图案和历史），工作间的架子、台面和地板上还藏着 15 件东西。