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乐高、激光切割与3D打印

· 18 min read
Allen
Allen
software engineer
文章摘要
此内容根据文章生成，仅用于文章内容的解释与总结

内容为最近一年的个人硬件产品的结构设计的对比分析，作为 DIY 爱好者，必然会有不足之处，欢迎指正。

假设你想自己制作一个桥梁模型送给朋友，手工制作一个当然很好，使用木头、或者捏一个土坯然后烧制、又或者直接使用车床加工。但是这需要一定的技艺，以及各种器具。

但是除了手工制作之外，你依然有很多种方式可以选择：

  • 乐高搭建，你只需要知道乐高拼搭基础，设计出图纸后导出并购买零件（正版与非正版价格差距极大）。

  • 3D 打印，3D 打印有多种不同的原理，材料可选类型也比较多，设计出模型之后切片打印即可。

  • 激光切割，使用激光切割机切割亚克力板或者木板，之后拼搭。

简短对比 ：

技术乐高3D 打印（FDM）激光切割
特点模块化设计，易于组装和拆解可以打印出复杂的三维结构可以精确地切割出复杂的二维结构
结构强度玩具级工具级工具级
设计难度小时级小时级小时级
调试难度儿童中等高
设备价格无千元级千元级
材料价格十元级十元级百元级
制作速度小时级小时级分钟级
气味无有（根据材料不同，可能有塑料熔化的气味）有（切割过程可能产生烧焦的气味）
噪音无有（打印过程可能会产生噪音）有（切割过程可能会产生噪音）
优点总结1. 适合所有年龄层，易于上手
2. 可重复使用，具有高度的灵活性
3. 无需特殊工具或设备		1. 可以制作出复杂的三维结构
2. 可以打印出定制的零件，适合个性化设计		1. 可以精确地切割出复杂的二维结构
2. 结构稳固，适合制作承受重负的结构
缺点总结1. 结构可能不够稳固，不适合制作大型或承受重负的结构
2. 设计和功能可能受到乐高模块种类和数量的限制		1. 打印速度较慢，大型结构可能需要很长时间
2. 需要一定的设计和操作技能，学习曲线较陡峭		1. 设备价格高昂，运行和维护成本也较高
2. 需要一定的设计和操作技能，学习曲线较陡峭

乐高类​

优点​

  • 设计快速、简单，易于拆卸，非常适合快速验证创新想法。

  • 乐高模型可以随时调整，拆解后的部件可再次使用，避免了材料的直接损耗。相比之下，3D 打印和激光切割等技术一旦出现错误，调整难度较大，材料利用率相对较低。

缺点​

  • 乐高结构的强度有限，不适合承受较大的力，因此更适合轻量级的应用。

  • 乐高零件种类有限，对复杂结构的设计造成一定限制。

  • 乐高零件的精度也有限，主要的结构单位和半个单位，这意味着你的模型尺寸需要是 0.5 个单位长度的倍数。

学习心得​

搜索一些搭建图纸，可以帮助你更好地理解乐高的设计原理和技巧。不用管书籍的语言是德语还是英语。

软件​

乐高结构设计软件：https://studiohelp.bricklink.com/hc/en-us

优点：软件可以导出零件名称，一键跳转采购。

总结​

乐高设计快，但是采购之后自己拼搭比较耗时，遇到问题时可以先思考我之前有没有见过类似的图纸，没有见过而且比较复杂的话，一般选择 3D 打印。

3D 打印​

3D 打印是个人制造的一种重要方式，它可以将数字模型转化为实体物体。一张 A4 纸的大小大约是 210mm×297mm，可以在此基础上选购合适的成型尺寸。

3D 打印分为多种技术，常见的有 FDM（熔融沉积成型）、SLA（光固化成型）、SLS（激光烧结成型）等。其中 FDM 是最常见的 3D 打印技术，也是我使用的技术。

3D 打印目前主要有：

  • 定制手办方向

需要深入的学习建模软件

学习调色与上色

tip

目前桌面级打印机难以直接获得彩色精美手办。大多是光固化再上色或彩色 FDM 打印后打磨。

设备需要常维护：使用洗涤器清洗底板、挪动后重新调平。便宜的设备往往打印慢的同时需要调试：层纹错位、堵头、首层不平、拉丝翘边、悬空下垂等问题。

  • 工业设计

简单的学习建模软件

深入学习螺丝螺母磁铁钢针等材料的嵌入

tip

嵌入螺丝与螺母​

暂停埋入螺母，预留 0.2mm 的间隙，然后再埋入螺母，可以避免打印头碰到螺母。

暂停层设置方法：切片后点右边的 z 轴预览条,右键可以选择：添加暂停打印

嵌入磁铁​

普通磁铁与 N52 磁铁价格相差较大，但依旧推荐使用 N52 磁铁。因为普通磁铁在打印件中，磁吸力会有所衰减，而 N52 磁铁衰减后依然有不错的吸力。如果因为吸力不够导致打印件整体作废得不偿失。

设计孔位时磁铁最好下沉，齐平与突出都会让磁铁被撞碎。下沉太多会导致吸力下降。也侧水平设置槽位，让磁铁便于更换。

留出旷量给胶水（慢干胶与UHU胶水会腐蚀结构件，推荐快干胶502）、或者使用过盈、或者暂停+封顶（选择强磁，否则吸力下降严重）

不同尺寸、磁力的磁铁阵列排布时，距离过近会互相影响。常见的有：6mm直径 2mm 的N55磁铁、10mm直径的磁铁

分辨磁铁NS极可以使用一个3d打印件，一头标注N，一头标注S，放置磁铁后，吸起来哪个就放进去。

嵌入钢针​

钢针是最为常见的材料，可以选择的尺寸最多，将钢针以不同角度垂直嵌入 3D 打印件中可以提高打印件的强度。

想要将钢针水平嵌入到 3D 打印件中同时避免磕碰打印头、保持与打印件接触紧密，可以通过将打印一个辅助件完成：长方体的内切圆柱（剪切掉内切圆柱），然后将钢针嵌入到辅助件中，再通过暂停层将辅助件嵌入到打印件中。

另外也可以利用钢针制作合页等结构，比纯3D打印更耐用。

在 3D 打印过程中，材料的选择对打印效果和性能有重要影响。下面是部分常见材料及其价格与特点。

tip

不同品牌价格不同，仅供参考，以下是一些材料的前缀与后缀的简要解释：

  • CR ，表示更多色彩
  • CF ，表示碳纤维复合
  • Matte ，表示哑光质感
  • Silk ，表示丝绸质感
  • Hyper/Fast ，表示高速打印
材料全称特点及应用说明价格
ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物强度高、耐热性好、易加工，适用于一般性的 3D 打印项目。59 元/KG
PETG改性聚对苯二甲酸乙二醇酯耐热、透明度高、耐化学性强，适用于透明或耐热性能的打印项目。59 元/KG
PLA聚乳酸生物降解、环保、易于打印、无毒，适用于一般性的 3D 打印项目。69 元/KG
PA聚酰胺/尼龙 (Nylon)机械性能更强，耐热，用于制作普通机械强度要求的打印项目。79 元/KG
TPU热塑性聚氨酯弹性好、耐磨性强，常用于制作柔软的零件或弹性组件。98 元/KG
PET-CF碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯更高的强度和刚性，适用于要求更高机械性能的打印项目。108 元/KG
PLA-CF碳纤维增强聚乳酸更高的强度和刚性，适用于要求更高机械性能的打印项目。129 元/KG
ASA聚酰胺酸酯工程塑料，耐热性和机械性能优异，适用于高强度和耐热性的打印项目。169 元/KG
PC聚碳酸酯抗冲击性和透明度优异，常用于制作耐用的零件或透明的构件。219 元/KG
PA-CF碳纤维增强聚酰胺/尼龙碳纤维更高的强度和耐热性，适用于要求更高机械性能的打印项目。249 元/KG

建模软件​

建模软件是 3D 打印的基础，可选的非常多，譬如Fusion 360、Blender。

模型可以从 0 开始建，也在别人的基础上修改，由于家用3D打印机尺寸较小，工具物品难以一体成型，因此模块化设计思维较为重要。

成品模型库：

优点​

  • 只需要一个晚上就可以验证你的复杂创意。

  • 提升空间大，可以选择一体成型，或者碳纤维材料，也可以使用暂停打印嵌入螺丝、螺母、磁石、金属棒等来创作一些强度极高的混合材质的工具。

缺点​

  • 连接处的强度不够需要使用人工介入使用特殊手段提升。

  • 打印时间长而且偶尔成品有瑕疵。

学习心得​

3D 打印的知识相对来说比较碎片化，需要持续学习与实战验证。可以关注一些 3D 打印博主、逛逛 3D 打印社区，可以学习到很多建模、切片、机器的调试、嵌入等技巧。

软件​

从 0 开始 3D 打印需要用到 3D 建模软件与切片软件

建模软件就是构建出你要打印的物品的模型的软件。

切片软件则是把这个模型切割为一层一层，控制 3D 打印机的喷嘴运动路径等参数的软件。目前我的 3D 打印机只认切片后的文件。

这里建模软件推荐找个教程，教程上用什么跟着学也用什么。

切片软件一般厂家有提供。

激光切割​

激光切割机主要用于切割和雕刻材料，如亚克力板、金属片、木板等。激光切割机通过激光束对材料进行加热，使其熔化或气化，然后通过气流将熔化或气化的材料吹走，从而实现切割。

可以通过调整激光头的运行速度和激光强度来实现穿透切割和表面雕刻。

激光强度大，激光头移动速度慢，可以实现穿透切割，即将材料完全切断（速度：10 分钟级别）。

激光强度小，激光头移动速度快，可以实现表面雕刻，即在材料表面刻出图案或文字（速度：秒级别）。

优点​

  • 刻字速度极快，立等可取。

  • 支持材料多样。

缺点​

  • 设备占地较大，气味明显需要单独通风，水冷型的需要偶尔换水。

  • 部分材料切割容易边缘不光滑、发黑。

学习心得​

激光切割主要是调试激光能量强度与材料的关系。常见的材料有以下几种：

亚克力板，比较常见的像一块 30*30cm 5mm 厚的透明板材

个人很喜欢的材料，透明的材质用来装日用摆件类的单片机很有“探索版”的感觉。做工具用比较脆，有一定韧性，但保存不当会产生划痕。

金属片：强度比木板要好不少，相比于亚克力板的硬、脆,金属片可以在切割后折弯，用来制作需要弯曲且强度要求高的结构。

无可替代的优势，你永远可以相信金属。

木板：木板具有良好的硬度和强度，面积较大的区域有一定韧性，但细的地方极其容易断裂。另外木板在潮湿的环境下可能会变形，因此需要在适当的环境中存储和使用。

用来制作各种家居装饰、艺术品和模型。木板的颜色和纹理使得切割出来的产品具有自然的美感和温馨的氛围。此外，木板也可以通过砂纸或者涂料进行后期处理，以改变其颜色和质感，增加产品的美观性和耐用性。

有些材料理论上可行，但是我实际工作中没有使用，不便评价：玻璃和陶瓷、织物和皮革、塑料和橡胶

相比前面两项个人级别的制作，激光切割家用较少，其一是气味较大，需要单独通风，有些激光切割机还需要用水桶接冷凝水。其二是占地面积较大，3D 打印机可以放在桌子上，激光切割机需要放在地上，且需要有一定的安全距离。

在学校、工作室等场所，通常会有激光切割机，可以提供激光切割服务。

软件​

厂家附赠非开源软件。