引言

3D打印技术，也称为增材制造（Additive Manufacturing），已经从工业原型设计扩展到教育、医疗、消费品和创意产业。在众多3D打印技术中，FDM（熔融沉积成型）和SLA（立体光刻）是目前市场上最普及、最实用的两种技术。

本指南旨在为初学者和进阶用户提供一份详尽的实战手册，深入对比FDM与SLA的技术原理、建模注意事项、后处理工艺以及实际应用场景，帮助你根据需求选择正确的技术，并打印出高质量的模型。

第一部分：技术原理深度解析

1.1 FDM（Fused Deposition Modeling）技术

工作原理： FDM技术是通过将热塑性材料丝（如PLA、ABS、PETG）加热至熔融状态，通过一个移动的喷嘴挤出，层层堆叠形成三维物体。这就好比是一个自动化的“挤奶油”过程。

核心组件：

  • 喷嘴（Nozzle）： 通常直径为0.4mm，负责挤出材料。
  • 热床（Heated Bed）： 防止打印件底部因冷却过快而翘曲。
  • 送丝机构（Extruder）： 将线材推入加热块。

优点：

  • 材料成本低，种类丰富（包括柔性、碳纤维增强等）。
  • 机器结构简单，维护容易。
  • 打印大尺寸物体时成本效益高。

缺点：

  • 层纹明显（Layer lines），表面较粗糙。
  • 精度相对较低，难以打印极小的细节。
  • 对于复杂几何结构（如无支撑悬空）支持较差。

1.2 SLA（Stereolithography）技术

工作原理： SLA技术使用紫外光（UV）照射液态光敏树脂（Resin），使其发生光聚合反应并固化。通常有两种流派：

  1. 激光SLA： 激光束通过振镜系统扫描液面进行固化。
  2. DLP/LCD（掩膜式）： 屏幕投射整个截面的UV光，一次性固化一层。目前消费级市场以LCD（MSLA）为主。

核心组件：

  • 光源系统： 405nm波长的UV LED阵列。
  • 液晶屏/Mask： 作为掩膜，控制光线形状。
  • 升降平台： 打印完成后下降或上升剥离树脂。

优点：

  • 极高精度： 可以打印出极微小的细节（如牙雕、微缩战棋）。
  • 表面光滑： 几乎看不到层纹。
  • 各向同性： 只要后处理得当，Z轴方向强度也很高。

缺点：

  • 材料昂贵且有毒： 树脂有刺激性气味，需在通风环境操作。
  • 后处理复杂： 必须清洗、二次固化。
  • 易碎： 标准树脂韧性较差，不适合受力件。

第二部分：3D建模与切片实战指南

在打印之前，模型的准备至关重要。不同的技术对建模有不同的要求。

2.1 建模通用原则

无论使用哪种技术，以下原则是通用的：

  • 水密性（Watertight）： 模型必须是流形（Manifold）的，不能有破面、重叠面或非流形几何。
  • 法线方向： 面的法线必须朝外。

2.2 FDM建模与切片策略

FDM最大的挑战是重力和热应力。

A. 建模注意事项

  1. 倒角与圆角： 尽量避免尖锐的直角，使用大圆角或倒角可以减少应力集中，防止打印开裂。
  2. 公差设计： 如果是打印两个需要配合的零件（如螺丝和螺母），FDM会有膨胀，通常需要设计0.2mm-0.3mm的间隙。
  3. 壁厚： 建议壁厚至少为喷嘴直径的倍数（如0.8mm或1.2mm）。

B. 切片软件设置（以Cura或PrusaSlicer为例）

代码示例：FDM关键切片参数解析

虽然切片软件是图形界面，但我们可以将其核心逻辑转化为伪代码来理解：

# FDM 切片核心逻辑伪代码
def slice_model_for_fdm(model, nozzle_diameter=0.4):
    settings = {
        "layer_height": nozzle_diameter * 0.25,  # 层高通常为喷嘴直径的25%-75%
        "wall_count": 3,                        # 墙壁层数，保证强度
        "infill_density": 20,                   # 填充密度，0-100%
        "support_enable": True,                 # 是否开启支撑
        "support_type": "Tree"                  # 树状支撑（节省材料，易拆除）
    }
    
    # 生成G-code
    gcode = generate_gcode(model, settings)
    return gcode

# 实战建议：
# 1. 打印大型平面物体时，开启"烘箱模式"（Draft Shield）防止翘曲。
# 2. 打印精细文字时，将"顶层图案"（Top Pattern）改为"同心圆"（Concentric）。

2.3 SLA建模与切片策略

SLA最大的挑战是液态树脂的流动性和剥离力。

A. 建模注意事项

  1. 掏空（Hollowing）： 大型实心模型会消耗大量树脂且难以固化，必须在建模软件（如Blender, ZBrush）或切片软件中掏空，并留出排水孔（通常2-3mm）。
  2. 排水孔设计： 位置应在打印完成后树脂能自然流出的地方，通常在顶部和底部各一个。
  3. 避免大面积平面： 大平面容易导致打印时产生巨大的剥离力，导致模型脱落或打印失败。建议将模型倾斜15-45度打印。

B. 切片软件设置（以Chitubox或Lychee Slicer为例）

实战代码：SLA掏空与支撑参数

在切片软件中，我们通常通过UI设置，但理解其背后的数学逻辑很重要：

# SLA 掏空与支撑逻辑
def prepare_sla_model(model):
    # 1. 掏空设置
    hollowing = {
        "thickness_mm": 2.0,  # 壁厚，太薄容易破壁，太厚浪费树脂
        "hole_diameter_mm": 3.0, # 排水孔直径
        "enable_drain_holes": True
    }
    
    # 2. 支撑生成逻辑
    # SLA支撑与FDM不同，主要对抗树脂表面张力
    supports = {
        "density": "Medium", # 稀疏即可，主要防变形
        "tip_diameter_mm": 0.6, # 接触点要小，方便后期打磨
        "angle_threshold": 45 # 低于45度的悬空必须加支撑
    }
    
    # 3. 曝光时间计算（关键）
    # 曝光时间 = 基础曝光 + (层高 * 曝光系数)
    base_exposure = 8.0 # 秒（视树脂而定）
    normal_exposure = 2.5 # 秒
    
    return hollowing, supports, base_exposure

第三部分：材料选择与后处理工艺

打印完成只是工作的一半，后处理决定了成品的最终质量。

3.1 FDM后处理

  1. 去支撑： 使用尖嘴钳和镊子小心移除支撑。对于树状支撑，通常可以徒手掰下。
  2. 打磨：
    • 粗磨： 使用平头锉刀处理大的瑕疵。
    • 细磨： 使用400-800目砂纸。
    • 抛光： 使用1000-2000目砂纸配合水磨（仅限耐水材料如PETG）。
  3. 化学抛光（进阶）： ABS材料可以使用丙酮（Acetone）蒸汽熏蒸，能瞬间填平层纹，获得类似注塑的光泽。
    • 警告：丙酮易燃且有毒，需在通风橱操作。
  4. 补土与上色： 使用原子灰（补土）填补层纹和缝隙，打磨平整后喷漆。

3.2 SLA后处理（高风险环节）

警告：树脂对皮肤有致敏性，操作时必须佩戴丁腈手套和护目镜。

  1. 清洗（Washing）：
    • 打印完成后，模型表面附着大量未固化的液态树脂。
    • 方法： 使用99%浓度的异丙醇（IPA）或专用清洗液进行超声波清洗（3-5分钟）或手动刷洗。
    • 注意：不要用95%以下酒精，水分会导致表面发白。
  2. 剥离（Peeling）：
    • 如果是盲孔模型，需在清洗前或清洗中确保内部树脂流出。
  3. 二次固化（Curing）：
    • 清洗后的模型仍有一定粘性，需在UV固化箱（波长365-405nm）中照射。
    • 时间： 通常为2-5分钟（视模型大小而定）。过度固化会导致模型变脆发黄。
  4. 打磨与修补：
    • SLA模型通常不需要填补层纹，但需要打磨支撑点。
    • 使用补土修补气泡或缺损。

第四部分：FDM vs SLA 实战对比案例

为了更直观地说明，我们通过两个具体案例来对比。

案例一：制作一个高精度的微缩战棋（D&D或Warhammer）

  • 需求： 面部表情清晰，武器细长不断裂，表面光滑适合上色。
  • FDM尝试：
    • 即使使用0.2mm喷嘴和0.04mm层高，面部依然会有明显的横纹。
    • 细长的武器（如长矛）在打印时会因抖动而弯曲。
    • 结论： 不推荐。
  • SLA实战：
    • 建模： 将战棋略微倾斜（约20度），避免垂直打印。
    • 支撑： 软件自动生成微小支撑，连接在背部或底座，不影响正面细节。
    • 打印： 0.05mm层高，约2小时。
    • 后处理： IPA清洗，UV固化，剪断支撑，轻微打磨。
    • 结果： 皮肤纹理清晰可见，眼睛栩栩如生。
    • 结论： 完美。

案例二：制作一个用于无人机的相机保护支架

  • 需求： 需要承受震动，具备一定韧性，尺寸较大（10cm x 5cm）。
  • FDM实战：
    • 材料： PETG（耐冲击、耐候）。
    • 设置： 4层墙壁，30% Gyroid填充（各向同性填充结构），打印方向平躺以最大化层间结合力。
    • 后处理： 无需复杂处理，直接使用。
    • 成本： 约5元人民币。
    • 结论： 性价比高，强度足够。
  • SLA尝试：
    • 材料： 耐冲击树脂。
    • 问题： 即使是耐冲击树脂，其刚性依然不如PETG，且在无人机的高频震动下，SLA打印件容易产生微裂纹并最终断裂。
    • 成本： 约30元人民币。
    • 结论： 不推荐，成本高且易碎。

第五部分：常见问题排查（Troubleshooting）

FDM常见问题

  1. 第一层不粘床：
    • 原因： 平台不平、喷嘴距离太远、平台有油脂。
    • 解决： 重新调平（A4纸测试），清洗平台（酒精），降低Z轴偏移（Z-offset）。
  2. 拉丝（Stringing）：
    • 原因： 回抽设置不当，温度过高。
    • 解决： 增加回抽距离（Retraction Distance）和回抽速度，降低打印温度。
  3. 层分离（Delamination）：
    • 原因： 冷却过快或层间结合力差。
    • 解决： 关闭风扇或降低风速，提高喷嘴温度。

SLA常见问题

  1. 打印失败（模型粘在FEP膜上）：
    • 原因： 曝光时间过长（粘得太紧）、FEP膜磨损、提升速度过快。
    • 解决： 减少10-20%曝光时间，给FEP膜涂抹脱模剂（凡士林或专用液），降低抬升速度。
  2. 模型表面发白（雾状）：
    • 原因： 清洗液残留或未完全干燥就固化。
    • 解决： 清洗后用吹风机吹干或自然晾干后再固化。
  3. 支撑点断裂：
    • 原因： 支撑太细或模型太重。
    • 解决： 增加支撑主干直径（Tip Diameter），增加接触点大小。

结语

FDM和SLA并非竞争关系，而是互补关系。

  • 如果你是创客、工程师，需要验证结构、制作工具、大型原型或功能性零件，FDM是你的首选。
  • 如果你是艺术家、收藏家、牙医，追求极致的细节、光滑的表面或微缩模型，SLA则是不二之选。

掌握这两种技术的核心在于理解其物理限制，并在建模阶段就为打印和后处理做好铺垫。希望这篇指南能成为你3D打印之路上的实战宝典。