桌面級塑料3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

嵇萍 劉泗巖

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2108-5042-7415

摘? 要：該文將桌面級塑料3D打印機(jī)分為FDM與光固化兩大類，桌面FDM 3D打印機(jī)又進(jìn)一步分為普通型與高溫型，介紹了其可打印材料、適用情景，以及Prusa i3、Makerbot、Ultimaker與Corexy等常見桌面FDM 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);將光固化3D打印機(jī)分為激光SLA、DLP與LCD等類型，還介紹了各自的工作原理與代表性產(chǎn)品的技術(shù)特征，對DLP與LCD光固化機(jī)型的XY像素精度等參數(shù)做了對比;最后對不同類型3D打印機(jī)的優(yōu)勢與弱點(diǎn)作了總結(jié)，指出了未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：3D打印? ?增材制造? ?FDM? ?光固化

中圖分類號：TP334.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（a）-0065-04

Development Status of Desktop Plastic 3D Printer

JI Ping1? ?LIU Siyan2

（1.College of Marine Electric and Intelligent Engineering， Jiangsu Maritime Institute， Nanjing， Jiangsu Province， 211170 China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016 China）

Abstract： In this paper， desktop level plastic 3D printers are divided into two categories： FDM and light curing. Desktop FDM 3D printers are further divided into ordinary and high-temperature types， and their printable materials， applicable scenarios， as well as the common structural characteristics of desktop FDM 3D printers such as Prusa i3， Makerbot， Ultimaker， and Corexy are introduced. The light-curing 3D printers are divided into laser SLA， DLP and LCD types， and the respective working principles and technical characteristics of representative products are introduced. The XY pixel accuracy and other parameters of DLP and LCD light curing models are compared; Finally， the advantages and disadvantages of different types of 3D printers are summarized， and the future development trend is pointed out.

Key Words： 3D Printing; Additive manufacturing; FDM; SLA

3D打印設(shè)備按性能可分為工業(yè)級與桌面級，工業(yè)級3D打印機(jī)尺寸大，價(jià)格高，精度與可靠性好;桌面級3D打印機(jī)尺寸小，價(jià)格低，而精度與可靠性也可以接受。該文將價(jià)格低于5萬元，XY面內(nèi)打印尺寸小于400 mm×400 mm的3D打印機(jī)定義為桌面級，限于篇幅，暫且只討論塑料材料的3D打印。桌面級塑料3D打印機(jī)有熔絲成型（Fused Deposition Modeling， FDM）與光固化兩種類型。桌面FDM 3D打印機(jī)已從主要打印PLA材料的普通型，發(fā)展到了可打印各種高性能工程塑料與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高溫型。桌面光固化3D打印機(jī)在最近3年內(nèi)快速興起，激光SLA、DLP與LCD等類型都產(chǎn)生了高性價(jià)比的產(chǎn)品。自從2010年代產(chǎn)生以來，桌面3D打印機(jī)目前進(jìn)入了又一個(gè)快速增長期，這為設(shè)計(jì)、教育、醫(yī)療等行業(yè)帶來了福音。

1? 桌面FDM 3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 FDM 3D打印工藝簡介

FDM工藝使用熱塑性塑料長絲作為耗材，長絲被輸入到噴頭中加熱融化，并沉積在打印平臺上，噴頭與平臺之間的相對運(yùn)動由計(jì)算機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)三維物體的沉積成型。FDM技術(shù)在1989年由Stratasys公司所發(fā)明，其工業(yè)級FDM設(shè)備一直是市場上的領(lǐng)導(dǎo)者。桌面級FDM設(shè)備源自英國Adrian Bowyer博士于2005年創(chuàng)建的Reprap項(xiàng)目，在其基礎(chǔ)上，2009年Makerbot公司成立，桌面級FDM 3D打印機(jī)快速發(fā)展起來[1]。此后，許多企業(yè)紛紛推出了類似產(chǎn)品，目前國產(chǎn)桌面級FDM設(shè)備銷售量已經(jīng)領(lǐng)先世界，高端桌面FDM設(shè)備已進(jìn)入世界一流。

根據(jù)可打印的材料，桌面FDM 3D打印機(jī)分為普通型與高溫型兩類。普通型桌面FDM 3D打印機(jī)的可打印的材料主要是PLA，打印ABS時(shí)可能存在失敗風(fēng)險(xiǎn)，打印噴頭溫度一般在240 ℃以下。PLA是一種天然淀粉基可降解聚合物，環(huán)保性好，適合作為外形評估模型應(yīng)用，也可作為燒失模型用于熔模鑄造，但PLA的耐熱性差，在50 ℃以上就容易變形，不能用作結(jié)構(gòu)功能模型。普通型桌面FDM 3D打印機(jī)性能的提升主要在打印速度方面，通過采用高速打印噴頭、直線導(dǎo)軌與CoreXY雙臂并聯(lián)等結(jié)構(gòu)，XY面內(nèi)的打印速度有望達(dá)到250～300 mm/s。

高溫型桌面FDM 3D打印機(jī)的噴頭溫度能達(dá)到280 ℃以上，配恒溫打印腔室與熱屏蔽結(jié)構(gòu)，能夠可靠打印ABS、PC、尼龍等工程塑料以及纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，可用于結(jié)構(gòu)模型、工裝夾具等。高溫型設(shè)備的可打印尺寸也比較大，XY打印尺寸在300 mm×300 mm以上，性能與尺寸逐漸向工業(yè)級FDM 3D打印機(jī)靠攏，而價(jià)格能維持在5萬元以下，代表產(chǎn)品例如上海復(fù)志的Raised3D E2、Pro2等。

1.2 桌面FDM 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)

FDM 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能直接相關(guān)，桌面FDM 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括普通笛卡爾式與并聯(lián)三角洲式（也稱Delta式）。笛卡爾式，即X、Y、Z三軸采用空間直角坐標(biāo)系的布置，這是現(xiàn)在最常見的結(jié)構(gòu)。并聯(lián)三角洲式，將3個(gè)豎直軸向的滑塊與3個(gè)并聯(lián)臂鉸接，并聯(lián)臂的接合處安裝打印頭。該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動慣量小，理論上可實(shí)現(xiàn)較高的打印速度，但安裝調(diào)試比較困難，而且在豎直方向比較浪費(fèi)空間，也不便于整機(jī)包裝運(yùn)輸，目前主流廠家已不再生產(chǎn)該型產(chǎn)品，不過它在打印高而圓的物體上還是有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，例如陶藝花瓶等。

笛卡爾式包括龍門架式與箱體式結(jié)構(gòu)，龍門架結(jié)構(gòu)的打印床布置在Y軸上，打印床上方為龍門架，龍門架的兩個(gè)立柱上安裝有絲桿與光軸組成的雙Z軸，裝有打印頭的X軸組件安裝在Z軸上[2]。龍門架結(jié)構(gòu)也稱Prusa i3結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗墙菘巳薐osef Prusa在Reprap Mendel基礎(chǔ)上改進(jìn)，并以開源方式于2012年發(fā)布的第三個(gè)版本，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝的特點(diǎn)，深受廣大DIY用戶所喜愛。Prusa i3結(jié)構(gòu)采取開放式打印空間，但一般配有加熱床，能夠比較穩(wěn)定地打印PLA材料，屬于入門級FDM 3D打印機(jī)，價(jià)格一般在1 000～2 000元之間。國內(nèi)某些機(jī)型采用加固的鈑金機(jī)架，主要組件整體式設(shè)計(jì)，安裝更加簡單、機(jī)器更加穩(wěn)固，是性價(jià)比很高的入門級3D打印設(shè)備，例如JGMaker A3、A5，Anycubic Mega等。

箱體式結(jié)構(gòu)的打印頭在一個(gè)框架支撐的XY平面內(nèi)運(yùn)動，打印床安裝在隨Z軸移動的托架上。根據(jù)XY平面內(nèi)運(yùn)動方式的不同，又分為Makerbot、Ultimaker、CoreXY與Hbot等結(jié)構(gòu)。Makerbot結(jié)構(gòu)的X軸組件疊加安裝在Y軸上，打印頭安裝在X軸上，因XY軸是串聯(lián)的，也稱XYZ結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單可靠，缺點(diǎn)是X軸電機(jī)需要跟隨Y軸運(yùn)動，增加了Y軸的運(yùn)動慣量[3]。

Ultimaker結(jié)構(gòu)也稱為交叉十字軸結(jié)構(gòu)，XY方向兩個(gè)光軸垂直交叉，交叉處用滑塊連接，打印頭安裝在滑塊上，XY驅(qū)動電機(jī)固定在機(jī)架上，通過皮帶連接帶動兩個(gè)方向的光軸運(yùn)動，交叉光軸不僅運(yùn)動靈活，并且提高了剛度，缺點(diǎn)是成本有一定增加。相對于串聯(lián)XY結(jié)構(gòu)，Ultimaker與CoreXY、HBot都屬于雙臂并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

CoreXY與HBot結(jié)構(gòu)是都是通過皮帶連接，來實(shí)現(xiàn)XY軸運(yùn)動并聯(lián)的。兩者的區(qū)別是皮帶繞行方式不同，HBot只使用一根皮帶，CoreXY使用兩根皮帶，CoreXY皮帶繞行方式雖然復(fù)雜一些，但受力更加均衡，動力學(xué)性能更好，因而能實(shí)現(xiàn)高速打印。

2? 桌面光固化3D打印機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 激光SLA 3D打印機(jī)

光固化是最早的3D打印工藝，它由3D System公司在1984年發(fā)明，命名為Stereolithography（立體光刻），簡稱SLA。SLA過去曾是光固化的代稱，但后來有了DLP與LCD等新的光固化工藝，SLA也常專指早期的激光光固化工藝。光固化3D打印工藝是利用光照引起光敏樹脂交聯(lián)固化的現(xiàn)象，使光敏樹脂逐層曝光固化在平臺上，曝光的區(qū)域由計(jì)算機(jī)控制，每固化沉積一層，平臺運(yùn)動一個(gè)層厚的距離，從而實(shí)現(xiàn)三維物體成型。光固化3D打印使用液態(tài)樹脂成型，層厚可以更薄，因而精度更高，而且層間為固化交聯(lián)連接，因而Z向強(qiáng)度比FDM要高。

根據(jù)不同的固化光源，光固化工藝可分為激光SLA（Laser-SLA）、DLP與LCD等類型。激光SLA采用紫外線激光作為光源，激光經(jīng)過振鏡反射與控制對成型面進(jìn)行掃描，從而實(shí)現(xiàn)該層的固化。激光SLA由于采用逐點(diǎn)掃描，邊界清晰，表面質(zhì)量好，而且能夠做到大尺寸成型，但由于涉及復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，技術(shù)難度大，成本較高。過去的激光SLA設(shè)備由于價(jià)格昂貴，僅用于工業(yè)界，直到2010年代以后，出現(xiàn)了桌面級的光固化3D打印機(jī)，光固化3D打印才逐漸普及開來。

桌面級激光SLA 3D打印機(jī)的龍頭企業(yè)為Formlabs公司，其業(yè)務(wù)起步于2012年在Kickstarter上成功實(shí)現(xiàn)眾籌的產(chǎn)品Form1，由于產(chǎn)品非?；鸨?，公司獲得了巨額融資，現(xiàn)在公司已成長為估值10億美元的獨(dú)角獸企業(yè)。Formlabs首創(chuàng)了上拉式3D打印，區(qū)別于原工業(yè)SLA的下沉式3D打印，上拉式3D打印的打印床運(yùn)動裝置在樹脂槽上方，激光從樹脂槽底部照射，固化層在打印平臺與樹脂槽底之間，固化后需要從樹脂槽底部剝離，并保持在打印平臺上，打印過程的視覺效果就是打印件逐漸從樹脂槽中拉出來。

上拉式3D打印的一個(gè)關(guān)鍵問題是固化層與樹脂槽底要容易剝離，否則可能導(dǎo)致打印失敗甚至設(shè)備損壞。Formlabs的第三代產(chǎn)品Form3采用Low Force Stereolithography （LFS）技術(shù)，通過使用柔性樹脂槽與先進(jìn)光學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)了低剝離力，這不僅保證了打印可靠性，而且支撐結(jié)構(gòu)也可以更加輕盈，也就更容易拆除，不會損壞打印件的表面。Form3已進(jìn)入中國市場，成型尺寸為145 mm×145 mm×185 mm，XY面內(nèi)精度為25 μm，價(jià)格約為4萬元，F(xiàn)orm3L的成型尺寸為200 mm×335 mm×300 mm。

2.2 DLP光固化3D打印機(jī)

DLP光固化采用數(shù)字光投影機(jī)產(chǎn)生光源，每次曝光為整個(gè)截面，DLP的核心DMD（Digital micromirror Device）芯片決定投影機(jī)的分辨率，分辨率越高精度就越高，而高分辨率的紫外光DLP投影機(jī)成本較高，而且DLP投影機(jī)只能靠美國DI公司獨(dú)家供應(yīng)[4-5]。DLP 3D打印機(jī)的領(lǐng)導(dǎo)者為成立于2002年的EnvisionTec公司，其產(chǎn)品主要面向牙科與珠寶市場，該公司已被桌面金屬3D打印機(jī)的獨(dú)角獸企業(yè)Desk Metal公司于2021年收購。

2018年以來，中國的DLP 3D打印機(jī)進(jìn)入快速增長期，許多公司都已經(jīng)推出了DLP 3D打印機(jī)產(chǎn)品。例如：聯(lián)泰科技，本來是工業(yè)級SLA設(shè)備的龍頭企業(yè)，現(xiàn)在也推出了基于DLP的桌面級光固化3D打印機(jī)——E系列產(chǎn)品;新興的企業(yè)Rayshape、Raised3D等分別推出了Shape1，Raised3D DF1等;另外，一些桌面級3D打印機(jī)主要廠家也已有DLP 3D打印機(jī)產(chǎn)品，例如縱維立方、創(chuàng)想三維、閃鑄等。國產(chǎn)DLP 3D打印機(jī)的價(jià)格在40000～50000萬元之間，與Form3價(jià)格相當(dāng)。

DLP 3D打印機(jī)的可打印尺寸都比較小，X尺寸最大不超過200 mm，這是由目前DLP投影機(jī)的分辨率最高不超過2K（2 560×1 440）所決定的，打印尺寸越大，像素精度就越低。例如：Rayshape Shape1的XY面打印尺寸為192 mm×108 mm，像素精度為0.1 mm，說明其DLP光機(jī)的分辨率應(yīng)該是1 920×1 080，高精版Shape1 HD的XY面打印尺寸為144 mm×81 mm，則其每個(gè)像素的尺寸就可以降低到144/1920=0.075mm。Raised3D DF1，XY面打印尺寸為182 mm×102 mm，像素尺寸0.075 mm，說明其采用的DLP光機(jī)分辨率應(yīng)該是2 560×1 440。

2.3 LCD光固化3D打印機(jī)

LCD光固化也屬于面曝光工藝，不同的是，它是采用LCD屏選擇性允許紫外光透過的原理實(shí)現(xiàn)曝光的，因而LCD光固化也稱為Mask SLA技術(shù)，LCD屏的背后為紫外光LED陣列，當(dāng)LCD像素為黑時(shí)，紫外光不能穿過，像素為白時(shí)則能透過，通過控制LCD屏的像素來實(shí)現(xiàn)成型面的曝光控制[6]。由于LCD屏與紫外光陣列的成本很低，因此LCD光固化設(shè)備可以做到非常廉價(jià)。

LCD 3D打印機(jī)起源于2013年發(fā)布的DIY項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)的LCD屏是用現(xiàn)有平板電腦的屏幕拆去背光做的，第一代商業(yè)產(chǎn)品多采用手機(jī)流行的5.5英寸彩色屏，發(fā)展到第二代產(chǎn)品時(shí)有了3D打印機(jī)專用的6英寸2K黑白屏。黑白屏替代彩色屏，使得紫外光的透過率從1%提升到5%，不僅光效率高了5倍，而且由于降低了發(fā)熱量，使得屏幕壽命提高了2.5倍，可以達(dá)到2 000 h。目前第三代主流產(chǎn)品的屏幕采用8.9英寸4K黑白屏，分辨率提高一倍，使得打印尺寸可以提高一倍而不會降低像素精度。典型產(chǎn)品例如Anycubic Mono X，XY面打印尺寸為192 mm×120 mm，像素尺寸為0.05 mm，最高打印速度為60 mm/h，價(jià)格在4 000元以下。在精度與可打印尺寸方面，LCD光固化已經(jīng)超過了DLP工藝，而且設(shè)備價(jià)格僅為其1/10。

隨著4K以上高分辨率LCD屏幕的推出，LCD光固化3D打印機(jī)將朝著高精度與大型化的方向發(fā)展。目前已經(jīng)有了幾款大尺寸LCD光固化3D打印機(jī)，例如：安世增材的DCD-300，采用14英寸4K屏，XY打印尺寸為300 mm×170 mm，像素尺寸為80 μm;閃鑄科技的Foto13.3，采用13.3英寸4K屏，打印尺寸XY為292 mm×165 mm，XY像素尺寸為76 μm;奧創(chuàng)三維的SL400，采用15.6英寸4K屏，XY打印尺寸為345 mm×195 mm，像素尺寸為90 μm。預(yù)計(jì)不久以后，8K LCD屏產(chǎn)品將上市，上述產(chǎn)品的像素精度可以提高一倍，或者打印尺寸還可以進(jìn)一步擴(kuò)大。

與DLP工藝相比，LCD光固化設(shè)備存在光效率差的缺點(diǎn)，不過LCD屏研發(fā)人員宣稱，紫外光透光率還可以進(jìn)一步提高到12%，LCD屏的壽命也有望再提升一倍至4 000 h。LCD光固化工藝性能將進(jìn)一步提升，再加上其在大尺寸、高精度、低價(jià)格等方面的優(yōu)勢，LCD光固化3D打印機(jī)在未來幾年內(nèi)將會有快速增長。

3? 結(jié)語

在過去10年中，F(xiàn)DM與光固化兩種桌面級3D打印機(jī)都有了快速發(fā)展，這兩種工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)。FDM工藝的優(yōu)勢首先在于可打印材料的多樣性，包括天然可降解的PLA，高性能工程塑料以及纖維與塑料復(fù)合材料等，材料大多是開放的，不必局限于設(shè)備供應(yīng)商一家。各種類型的光固化工藝一般都以405 nm光敏樹脂為打印材料，材料種類少、價(jià)格高、強(qiáng)度與耐久性低于尼龍等工程塑料，并且有一定氣味，打印時(shí)需要注意安全性。另外，桌面級FDM的打印尺寸可以達(dá)到400～500 mm以上，將趨近于工業(yè)級FDM設(shè)備。

光固化3D打印的主要優(yōu)勢在精度上，因而適合于牙科、珠寶等精度要求高、打印尺寸小的場合。在光固化工藝的各種類型中，激光SLA的精度最高，但速度比面曝光的DLP與LCD要慢，而且桌面級激光SLA設(shè)備只有Formlabs公司可提供，有很高的技術(shù)門檻。DLP工藝與激光SLA相比具有速度優(yōu)勢，與LCD工藝相比則可靠性勝出，然而DLP技術(shù)相對于LCD發(fā)展緩慢，而且技術(shù)為DI公司所壟斷，未來增長具有不確定性。LCD 3D打印工藝還處于上升期，未來還會有快速增長。

參考文獻(xiàn)

[1] 維基百科編者.RepRap[EB/OL].（2021-04-06）[2021-08-27].https：//www.zh.wikipedia.org/w/index.php？title=RepRap.

[2] 陳延凱.基于FDM技術(shù)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)優(yōu)化的研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2020.

[3] 林興國.UV輔助液體沉積成型3D打印工藝研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2021.

[4] 蔣書鑫.連續(xù)纖維增韌陶瓷材料DLP成型技術(shù)與裝備研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2020.

[5] 周璇，王志明.基于DLP原理的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（4）：37-40.

[6] 陳韻律，安芬菊，廖小龍，等.基于LCD屏的光固化3D打印機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（12）：

57-58，164.