比MOC更DIY——通过3D打印制作LEGO积木

最近学校的学生加工厂购入了一台3D打印机。去用过几次后，我萌生了用它来打印乐高积木的想法——3D打印成本低廉，工序简单，如果真的可以用它来给自己生产乐高积木，自己MOC时也许可以省去一大笔开销，而且在缺少某一零件是可以随时补充——岂不美哉？！

3D打印及设备简介

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术（摘自百度百科）。这一技术出现于上世纪80年代。经过几十年的发展，如今从非金属到金属到生物器官，都可以通过3D打印技术来制造。3D打印具有成本低廉（因材料而宜），操作简单，适应性强等优点，同时在推广应用中也有技术门槛高，可用材料有限，难以大规模生产（针对非工业级打印机来说）等一系列限制因素。

几乎所有3D打印机都是通过将材料层层叠加的方式来完成打印工作的。现如今常见的打印方式有熔融沉积式（适用于可融非金属），金属激光烧结（适用于合金）等十余种。这里我使用的是UP3D公司的UP BOX+打印机。它使用的是将材料加热融化后逐渐累积建造的方式，可用材料有ABS和PLA两种塑料。打印机内部作业空间大小为255mm*205mm*205mm，打印精度最高可达每层0.1mm。

UP BOXUP BOX 3D PRINTERwww.up3d.com直达链接

打印过程

3D建模

在打印前需要先使用3D建模软件画出要打印的结构。因为很多基础的乐高积木都是标准件，其相关尺寸很容易就能够在网上找到。这里值得一提的是，对于有些零件，不同网站上可能会给出略微不同的标注。所以我还是推荐有条件（有现成的乐高积木，有合适的测量工具）的值友选择反向测绘的方式来得到需要的尺寸。毕竟绝大多数乐高积木结构都很简单，并不会设计太多需要测量的尺寸。

因为是第一次尝试，所以这次我只打印了4*2和2*1两种基本尺寸的积木，其3D模型如下图所示。建模完成后，送进打印机前需要将模型保存为STL格式的文件。STL是最常见的3D打印机支持的文件类型，它将3D模型划分为三角面片并以二进制格式或ASCII格式保存。在输出STL格式时需要对输出参数（误差，角度公差等）进行选择。误差和公差选择得越小，三角元划分得越密，成形质量越好，但文件的大小也会随之增加。这一次我使用的是0.005毫米的误差，2°的角度公差，得到了比较好的效果。个人认为，最终参数的确定还是要根据所使用打印机的实际情况确定，因为最终限制成型质量的因素往往是打印机的精度而非STL文件的参数。

打印机的使用

准备好STL文件后就可以准备打印了。UP公司的打印机有配套的软件提供给使用者。使用时直接将STL文件导入软件界面即可。软件界面简单明了，需要打印的模型在导入后会显示在屏幕上。UP公司提供的软件简单易用，它可以一次处理多个模型的打印，并能够自动优化多个模型的放置位置。在打印前，使用者也可以自己在软件中调整模型的放置位置和姿势，以在特殊情况下适应实际问题的需要。

打印前，需要先通过软件上的预热按钮对打印机底板进行预热。软件中提供了15-45min的计时预热模式。我个人的经验是不必受加热时间的限制，当软件中显示的底板温度达到75℃以上时（从30℃开始大约需要10分钟）即可开始打印程序。在加热的同时可以安装打印材料。

打印材料被加工成线卷的形状，从打印机侧面放入。安装时要将材料线的自由端深入打印机内部的材料导管中，并将其插在打印头上方的凹槽内。而后根据提示加热打印头融化材料，直至材料完全送入打印头并固定在喷口处。安装成功时打印喷头处会像蚕吐丝一样喷出一段细线，在这一过程停止时，手动除去已经喷出的部分，就一切就绪，可以开始打印了。

打印成果

打印结束后并不能直接得到和所画3D模型一模一样的产品。受限于打印的过程和原理，从打印机中新鲜出炉的半成品会比原设计多出两个部分：

一是产品的底部会多出一个比底面截面积大一圈的垫板，这是打印机程序自动添加在原设计模型上的，目的是保证在从打印机底板上取下模型时原模型的底面不会被破坏——但这样一来，如何将垫板与模型分离就成了一个新问题。模型和垫板之间的连接虽然不是很紧，但用一般的手工刀或剪进行分离仍然很费时间。我这次打印的零件体积都比较小，这个问题还不很突出。但如果打印底面较大或者对底面平面度要求较高的产品时，这一问题就会变得非常棘手。

第二个问题是，对于内部有空腔的结构来说，打印过程中打印机会自动在空腔的位置添加一些支撑结构，以保证上面的材料能够被较好地叠加上去。因此，在去掉模型下面的垫板后，可以看到积木的内部充满了很多用于支撑的简单结构。显然在得到成品之前，这些结构也要想办法去除。不过还好，这些附加的支撑结构都是以薄片的形式出现在产品中的，只需要用小一点的镊子和刀就可以很容易地将它们完整取出。

结构的强度是我在打印之前比较担心的一个问题。所以对于4*2的积木，我将原始设计中内部的两根肋板改为了八根。最后打印效果说明这样的改动还是有必要的——小块的2*1的积木由于结构较为紧凑，按照原来的设计完全能够得到一个强度较好的零件；但4*2的零件由于薄壁结构比较长，用手指轻轻一捏就可以让侧壁面出现较大的形变——而肋板的添加就较好地解决了这个问题，大大提高了零件的强度，而且肋板也不会在零件拼接时占据结构内部需要的空间。

总体来说，最终打印的效果还是不错的。虽然材料所限，只打印出了一种颜色的零件，但是成品的尺寸和结构基本能够满足一块乐高积木的所有功能——它们既可以相互拼接，也可以和原装的乐高积木拼接。这里我只能说自己的运气比较好，尽管并未对尺寸精度进行太多的考量，仍然只用一次就得到了较好的配合效果。除了没有肋板的那块4*2积木中有两个腔单元的尺寸稍大，在拼装时会比较松以外，其他所有拼接方式的排列组合都可以得到松紧适中的连接效果。

心得体会

作为首次接触3D打印的小白，这次我对这一新兴技术在加工方面带来的便捷性和适应性深有体会。但是显然，没有任何一种加工方法是万能的，所以在最后总结一些使用3D打印过程中的注意事项，希望能够帮助到有需要的值友。

结构限制与模型放置方向

对于我使用的这种入门级3D打印机来说，由于打印方式是层层累加，所以不适合用来打印含有封闭空腔的结构。而对于有开放空腔或者架空结构的模型来说，则需要仔细考虑打印时模型的放置方式。举例来说，如果要打印一个整体上呈立方体结构的零件，有六个面可供选择作为打印起始的底面。在选择时，一是要尽量让空腔的开口方向朝上，同时要尽量让具有次要功能的面作为底面，因为在分离底面垫板时难免会对模型的底面造成破坏。

尺寸和精度控制

显然，打印机所能打印零件的尺寸受限于打印机本身的尺寸。而精度则取决于打印时所选择的精度水平（选择精度越高则耗时越长）和结构的具体形状。本人的使用经验是，当我选择这台打印机的最高精度（0.1mm）时，已经能够得到比较光滑的平面与曲面，但用手仔细摸时仍能够感受轻微的层次感——这是这种层叠式打印的原理决定的，几乎无法避免。

成本和时间

个人认为3D打印一个非常大的优势就是成本——一是经济成本，一卷500克ABS塑料的价格是200元不到，我这里展示的这三块乐高积木一共耗料不超过10克，算下来一共成本也就是5元钱左右；另外是时间成本，只要零件的尺寸和结构允许，3D打印是一种非常直接的加工方式，它不像各种金属加工方法需要用户受过一定程度的培训，只要会3D建模，任何人都可以进行3D打印作业——不过我认为这种入门级的3D打印机并不适用于大批量的生产，因为打印时间会随打印零件个数线性增加。我这里展示的三个零件一共花费了两个半小时来打印，另外还需要半小时进行后面的处理；如果打印零件个数较多，所需时间将会大幅增加。