从选购到使用，让 3D 打印机打开新世界的大门

最近这几年 3D 打印非常火，有好几位朋友陆陆续续都买了 3D 打印机。我原本以为只是 3D 打印机只是拿来玩的「玩具」，但在朋友悉心安利并给我打印出一些有用的成品以后，我终于还是忍不住剁手的欲望，购买了一台 3D 打印机。

左：ITX 机箱中孔位转换器（灰色部分）为 3D 打印件；右边：致敬育碧的杯子

上面两个就是是找朋友打印的东西，左边是给银欣 SG13 机箱打印的 120mm AIO 孔转 SFX 电源安装孔；右侧则是我学 Fusion 360 的时候模仿育碧 Bug 马克杯周边画并打印的一个杯子。

3D 打印机的选购

3D 打印机的种类多种多样：从大小的角度来看，大的 3D 打印机可以打印房子，小的 3D 打印机可以打印原子；而如果从材料的角度来看，有的 3D 打印机可以打印塑料，有的 3D 打印机则可以打印各种金属，当然打印金属的 3D 打印机由于价格的关系，不是我们想要的。

在互联网和日常生活中的语境中，消费级别的 3D 打印机特指的都是面向普通爱好者的桌面打印机。这类打印机从打印方式上做区分则通常分为两种：光固化打印机和熔融沉积成型（FDM/Fused deposition modeling），光固化打印精度非常棒，但是需要接触有一定的毒性树脂液体，此外光固化打印有比较繁琐的打印前处理和后处理。

所以在综合考虑下，我还是放弃了光固化选择了 FDM 打印机。

FDM 打印机的结构

首先我们需要了解一下 FDM 3D 打印机是如何工作的，其实它的工作原理其实很简单，分为两部分：

一个负责三维空间的移动的组件
一个负责进料、融化材料和挤出材料的组件

打印时材料会一层又一层地堆积在之前已经「挤出来」的材料上，所以在这两个组件共同协作下就能打印出一个完成的 3D 物体了。

打印机在 3D 的空间运动的传动方式有很多种，一般较为便宜的打印机会选择笛卡尔结构。笛卡尔结构指的是 X Y Z 方向上的运动是独立的，这种方式比较直观，结构也比较简单。如下图的 Ender 3 ，他的 Y 轴是通过前后移动床控制的，X 轴和 Z 轴则是通过移动喷头的上下左右来控制的。

上图为 Ender3 典型的笛卡尔结构打印机。

FDM 3D 打印机除了怎么动的很关键以外，怎么取料、融化材料、挤出材料也非常重要。其中取料和挤出材料是由挤出机处理的，融化材料则是由热端处理的。挤出机从材料盘中将材料拉出来，送进去热端融化。并持续往热端送更多的料让融化的材料从喷嘴中挤出来。下图是挤出机和热端工作的简单原理图：

其中挤出机的精度和挤出的速度决定了打印质量和速度。精度高意味着可以更好的控制挤出的量。挤出的材料太多或者太少对打印的质量影响都非常大，我就遇到了一些挤出问题，下文会细说。挤出的速度快就很直接的决定了你能打印多快。

而影响挤出机的精度和速度的两个关键因素就是：

挤出机的类型
挤出机的齿轮数量

挤出机的类型

左：远程挤出机；右：近端挤出机

FDM 挤出机分为两个大类：

远端挤出机
近端挤出机

远端挤出机的主要优势在于挤出机不需要跟着喷嘴一块移动，减轻了需要移动的零件的重量；但远端挤出机的弊端在于：由于从喷嘴挤出压力的是通过材料本身传递的，所以远端挤出机的反应时间较长，并且对打印的材料比较敏感，例如 TPU 之类的软质材料就没法很好的打印出来。但是如果想要极致的轻量化和速度，远端挤出机不失为一个好选择。

对比远程挤出机，近程挤出机是和热端是集成在一起的，因此 X Y 轴上移动的部件的重量增加了，震动也会相对的增加；但是近程挤出机的好处在于，由于距离热端非常近，所以需要的挤出力量也比较小，这样挤出精度就会更高，所以即使是 TPU 这种非常软的材料也能正常的挤出。我个人最后还是选择使用近端挤出机。

另外一个影响挤出机精度的就是挤出机的齿轮了。较低端的机器一般都是配备都是单齿轮，虽然对比双齿轮的挤出机，无论是对材料的咬合能力还是挤出精度都表现更差，但它便宜而且工作，对于预算相对比较紧张的朋友是一个不错的选择。

不同材料要求的温度

而热端的加热能力则是决定了挤出的流畅性和能打印什么材料。热端的输出的热量不均匀和稳定的话，材料无法均匀的融化，自然就会导致挤出问题，挤出机再精确也没用。而不同的塑料融化的温度都不一样，打印的温度也不一样。下面是 Polymaker 牌的不同材料的打印温度：

主要成分简称	主要成分中文名称	商品名称	推荐打印喷嘴温度	推荐打印床温度
PLA	聚乳酸	PolyLite PLA	190˚C – 230˚C	25˚C-60˚C
PETG	聚對苯二甲酸乙二酯	PolyLite PETG	230˚C – 240˚C	70˚C – 80˚C
ABS	丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物	PolyLite ABS	245˚C – 265˚C	90˚C – 100˚C
ASA	丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物	PolyLite ASA	240˚C – 260˚C	75˚C – 95˚C
PC	聚碳酸酯	PolyLite PC	250˚C – 270˚C	90˚C – 105˚C
PA6/尼龙6	尼龙 6	PolyMide CoPA	250˚C – 270˚C	25˚C – 50˚C
PA6-CF	碳纤维加强尼龙 6	PolyMide PA6-CF	280˚C – 300˚C	25˚C – 50˚C

表格中的材料需要的打温度都集中在 190˚C - 300˚C，其中除了 PA6-CF 之外大部分的材料都可以在 260˚C 内打印，还好大部分的 FDM 打印机的热端都可以达到 260 度。如果想提升温度则需要看情况进行简单或者复杂升级了。

细心的朋友可能发现了， Polymaker 材料表格中还有一栏打印床温度，而打印机的床就是用来承载挤出机挤出来的材料。塑料在不同的温度下粘性不一样，控制床的温度可以让不同的塑料在保持形状的同时达到最大的粘性。如果温度太高则有可让打印的形状变形，温度太低则有可能让打印的材料不粘床。下面则是我故意打印 PETG 不加热床的样子：

左：预计打印完的样子；右：实际上打印的样子

所以床的温度和热端的温度共同决定了可以打印什么材料。如果能顺利融化材料，但是他并不能稳定的黏在床上，打印也会有非常大几率失败。

在 FDM 3D 打印中，第一层的质量尤为重要，因为后续所有的材料都会压在第一层上面，所以简单来说 FDM 3D 打印中第一层就是地基，如果地基没打好，后续还是非常容易让整个打印失败的，比如上面没有开热床的例子，本质上就是因为第一层没打好导致的。

想要打印好第一层，最关键的点就是在于床和喷头之间的距离。

一些高端的工业打印机或者自己组装的打印机，会使用一整块平整度较高、非常厚实的金属块作为打印床的底板（价格很高）。而相对便宜的桌面打印机，则会用薄一些、平整度稍差的金属板作为热床地板，所以便宜的难免会有一些凹凸不平。下面则是 Voron 官方文档中的高度图和我打印机高度图的一个对比：

左：Voron 官方文档中展示的高度图；右：我打印机床的的高度图

床不平也会导致第一层出现问题。不过我希望选购的打印机支持「自动找平」功能，通过这个功能能通过主动上下移动挤出机的 Z 轴来补偿床的高度差，让第一层更好的与床粘合。下面是简单的示意图：

左：没有自动找平补偿材料 Z 轴高度变化；右：有自动找平补偿材料 Z 轴高度变化

如上图所示，没有自动找平的喷头移动是非常直的。如果左侧最高点为合适的高度的话，右侧的材料就有可能粘不上床，或者粘不紧。而有自动找平情况就不一样了，打印机在移动的时候知道床的凹凸情况。就可以通过主动的调整 Z 轴的高度来适应床。从而得到一个厚度更加平均，粘性更好的第一层来确保「地基」的稳固性，让整个打印变得更加可靠。

综合选购因素

所以综上所述，我需要的打印机。应该能达到以下要求：

双齿轮的近程挤出
热端可以达到 300 度（或者说可以简单升级到 300 度）
有自动找平功能安装比较简单

所以最后选择了 Ender 3 S1。它有类似 BMG 结构的双齿轮的进程挤出机，并且更换热端上的喉管就可以把温度提升到 300 度，并且配有 CRTouch 可以自动找平。安装方面，大部分零件都是预先安装好的，到手之后拼起来就可以用来，虽然不是完全的开箱即用但是也差不多了。

买的问题解决了，但用的时候还是踩了不少坑

当我安装好打印机，简单的设置了一下就开始开心的打印了。最初我只打印了一些简单的模型，其中包括随机自带的一些模型。

Ender 硬币

Benchy 模型

上面两个模型就是刚收到打印机的时候打印的，确实觉得效果还行。但是当时的我还是太天真，后续遇到的问题真的一个都不会少。

第一个问题：随机不粘床

虽然大部分情况下我的打印机都能正确的打印东西，但偶尔会因为不粘床的问题打印失败。后来在我排查的时候发现，虽然打印机支持自动找平，但有的时候打印出来的第一层还是和床粘的不紧密，最后一番研究以后发现 Z Offset 设置也会影响粘不粘床。

其中白色部分为压力传感器（BLTouch），右边蓝色硅胶罩下面的为喷头，可以注意到他们并不是在同一个高度。图源

上图是一个安装了 BLTouch（压力传感器）的 Ender3，这里用 BLTouch 因为 CRTouch 看起来没那么明显。可以看到左边白色的压力传感器的高度和右边蓝色硅胶套下面的喷嘴是不在一个高度的。设置喷嘴和床之前的距离是以压力传感器的反馈为准的。但是压力传感器测到的距离是传感器本身到床的距离，并不是喷嘴到床的距离。所以压力传感器到喷嘴之间的高度差就是 Z Offset，需要通过调整它来设置合适的喷嘴高度。

Raise 3D （工业 3D 打印机制造厂商）的喷嘴高度设置示意图

由于是第一次接触 3D 打印机，一开始基本上都没有找到一个非常合适的喷嘴高度。越调整越坏，不是太高了就是太低了。下面都是我第一次打印失败的一些情况，刚好和上图的喷嘴太高和喷嘴太低吻合。

左：喷嘴太高打印失败的图；右：喷嘴太低导致挤出过度

而找平的步骤其实很简单，大多数较为便宜的床都会用下图这种结构固定。通过旋转四周的螺丝来调整床的高低。这种类型的床需要调整床的倾斜度和喷嘴的高度。具体步骤分为下面三大步：

打印调整最终的喷嘴高度

自动找平需要用到一张纸，一般打印用的 A4 即可。然后按照下图，在床的中点进行 Z Offset 调整，在四个角落（螺丝位置）手动调整床的高低。具体步骤如下：

中点 Z-Offset 调整

首先通过控制面板将喷嘴移动到床的中间的正上方，接下来将纸放喷嘴下方的床上，紧接着慢慢将 Z 轴的高度降低到 0（如果降不下去不要硬来），喷嘴可能会压住纸或者没碰到纸；尝试前后不停的移动纸张。

如果纸张能移动并且刚好有一点阻力就是合适的喷嘴高度不需要调节，通常而言不会那么顺利；如果如果喷嘴完全没碰到纸张，或者纸张移动完全没有任何阻力，可以尝试通过调整 Z-Offset ，一点点降低喷嘴高度。直到达到上述的移动纸张有一点点阻力的状态；如果纸张被压的很死无法动弹，则先将 Z 轴升高到 5mm 然后尝试调整 Z-Offset 升高喷嘴，然后再继续尝试慢慢降低 Z 轴到 0mm，反复调整直到移动纸张有一点点阻力的状态。

上面就是使用一张纸来手动找到喷头合适高度的方法。但是这个能移动但是有一点点阻力状态有点模糊，它并不是一个固定的点，是一段区间内都可以感觉到能移动但是有摩擦力。我建议是选摩擦力稍微轻一点的力度的点，这样喷嘴高度较高，后面调整的时候不容易刮伤床上的底板。

四周螺丝调整

在中间确定了最基本的 Z 轴的高度之后则需要物理调整四周的螺丝了，调整四周的螺丝需要按照顺序一个一个的调整，并且需要多次调整和确认，具体步骤如下：

首先抬起 Z 轴让喷嘴距离床大概 5mm 的距离，再移动到任意一个距离调整螺母的正上方，将纸放在喷嘴正下方的床上，紧接着一点点尝试往下移动 Z 轴到 0mm，和上面一样如果降不下去不要硬来；接下来就和上面一样，尝试移动不停的前后移动纸张，如果处于能移动但是有摩擦力的状态则是合适的，如果完全没碰到纸张，在移动纸张的同时旋转下方的螺丝来物理调节这个角落的高度，直到纸张处于能移动但是有摩擦力的状态。最后将 Z 抬起到 5mm 左右，顺/逆时针移动到下一个调节螺母的上方，重复以上步骤。

上面步骤是单个角落手动物理调整床高度的方法，完成四个点（上图的床只有四个螺丝，有几个螺丝就校准几个点）为一个循环。因为打印机的床是一个固体，所以当你上下移动某一个角落的高度的时候另外三个角落的高低也是会受到影响的，尤其是相邻的两个角落。所以这里需要多个循环来拧螺丝调整各个角落的高度，直到四个角落的高度都合适的情况，即为纸张能移动但是有阻力的状态。

在拧玩螺丝校准完四个角落的高度后，需要再次通过 Z-Offset 校准中间喷嘴的高度。因为在调整四角的螺丝的时候可能会整体抬高或者降低了床的高度，所以中间的喷嘴高度需要再一次校准。重复上面中点 Z-Offset 校准即可。

如果固件自带自动找平还是比较简单的，选择自动找平等就好了。虽然手动找平完之后床基本上是处于可以用的状态了，但是便宜的桌面打印机的床它本身可能就是凹凸不平的，所以需要自动找平来弥补床本身的凹凸起伏的部分。如果没有自动找平的打印机就没有太好的办法避免这个了。只能通过稍微压低一点点喷嘴来做到尽量都粘到床。

测试调平是否成功

在做完上述的调整后就可以进行最终的调整了。这一步是通过打印一些模型来确认喷嘴的高度是否合适。上图是个人推荐的找平模型。虽然用纸调整好了喷嘴的高度，但是纸有薄有厚，调整出来的喷嘴高度并不一定是最好的打印高度，所以最终还是需要通过打印来调整。

打印测试时尽量选择有颜色的材料，透明透明材料会看不清楚第一层有没有打好，在打印模型的时候，手需要在电源附近随时待命。在喷嘴高度设置错误或者床不平的时能及时停止打印机降低损失。

打印出来的模型主要是用来检查喷嘴的高度和床是否倾斜的，四周的圆柱和绕场一周的线条用来检查床的倾斜度。

外围线条如果高低不平均，薄的那边就是较高的地方，厚的那边则是较低的地方。四角的圆柱则可以和上述的 Raise 3D 的示意图来比较确认喷头的高度是否合适。如果不合适可能需要重新手动找平。中间的圆形是确认喷嘴高度用的。同样通过对比来观察高度是否合适，如果床并没有很严重的倾斜，则只需要调整 Z-Offset 来移动喷嘴。然后重新打印确认。如果确认床有倾斜，就要重新走一遍手动找平的流程的了，然后重新打印确认。

当然找平也不是一定完美的。但是有自动找平后，整个过程还是比较简单的。但是也有无论怎么调整，都觉得床有倾斜或者高度不对的时候。这里就要分两种情况讨论了。如果能正常打印不想折腾了就选一个能调整到的最好的状态直接用吧。如果严重到了无法打印的程度，则需要检查打印的装配是不是有问题了。

第二个问题：Pressure Advance 压力推进

我在用打印机原装的固件的时候遇到了打印成品和模型不一致的问题，仔细观察一下上面两个图，你会发现转角处都不是直角，并且伴有明显的突出了。这导致我在打印一些尖角、且需要组装的东西的时候导致组装失败。这问题也困扰了我很久，后来我经过研究以后发现了原版固件中有一个叫 Pressure Advance 压力推进的东西，这个东西在第三方的 Marlin 固件中则被称为 Linear Advance：

图片来源

简单来说，当打印机一边移动一边挤料的时候，如果已一直保持相同的挤出速率去画一条直线，那么我们只能得到下面形状的直线——起始处料少了，结束的地方料多了。

为了解决这个问题，尽可能地画一条尽量匀称的直线，正正确的做法应该是起始处多挤一点，结尾处少挤一点。而 Pressure Advance 就是用来设置这个材料应该提前多少出料，应该提前多少停止挤材料的，可以最大程度上避免打印过程中停留时间长就对挤出太多的问题，比如一开始提到的转角处。

Ender 原厂的固件是基于 Marlin 二次开发的，虽然 Marlin 是支持 Linear Advance，但是 Ender 的固件默认并没有开启这个功能。如果我想打开 Linear Advance 功能的话，需要自己编译一份固件启用了这个功能。编译固件这个步骤倒不是什么大问题，真正麻烦的地方在于：不同材料甚至同一种材料的湿度不一样，它粘性都会不太一样。而材料的粘性决定了 Pressure Advance/Linear Advance 需要多大的数值。简单来说，就是 Marlin 把会变的数值写进去代码里面固定死了，如果需要调整每次都要重新编译固件，那就变得非常的麻烦。

为了解决这个问题，我给打印件刷上了三方 Klipper 固件，并用一台 Orange Pi 作为上位机来控制它。由于 Klipper 上位机是运行 Linux 的，并不需要特别纠结空间和内存，所以 Klipper 是通过读取配设置整个打印机的。而配置可以随时更改，这比每一次更换材料都刷一次机方便太多了。

设置了正确的 Pressure Advance 数值后打印的校准方块

你可以看到 Pressure Advance 设置正确之后，无论是方块的转角还是 X 字的边缘都没有特别大的突起了。

第三个问题：过度挤出

上面说到我为了正确的 Pressure Advance 刷了 Klipper 固件。由于这个机器的配置还没有人传到官方的配置模板里，所以我临时上网随便搜了一份能用的配置就直接用上了，能用归能用，有问题当然也是有问题，打印出来的东西都有奇怪的纹理。而且质量也参差不齐。

过我仔细检查之后是 klipper 配置里面的挤出机的「roration_distance」配错了。导致挤出机往外挤的时候给了远比正常情况多的料，进而溢出到边缘产生了神奇的纹理。Klipper 配置里面的挤出机转一圈挤多少料这些东西都需要自己配置。所以配置挤出参数时是需要校准的，当你给指令让他挤 100mm 的材料的时候，他应该就挤出来 100mm 左右的材料。但是我这个配置（网上抄的）挤了大概 140mm 的材料，没有校准所以导致了非常严重的过度挤出，配置正确后打印的东西表面的问题就漂亮多了。