桌面級(jí)3D打印機(jī)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景

田韜毓+關(guān)忻

摘 要：3D打印是快速成型技術(shù)的一種，先建立一個(gè)相應(yīng)的數(shù)字模型，然后運(yùn)用粉末狀金屬或塑料或其他可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。在對(duì)已有的3D打印技術(shù)以及現(xiàn)有的市場(chǎng)需求進(jìn)行分析之后，本文對(duì)桌面級(jí)3D 打印機(jī)的全球商業(yè)化狀況進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括，進(jìn)一步展望了對(duì)于桌面級(jí)3D 打印機(jī)的市場(chǎng)需求。

關(guān)鍵詞：3D打印；工業(yè)級(jí)；桌面級(jí)；快速成型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.208

0 引言

3D打印技術(shù)是指在一定的技術(shù)支持下，通過對(duì)已構(gòu)建的三維模型進(jìn)行連續(xù)的物理層疊加，并逐層增加材料來完成由數(shù)據(jù)模型到三維實(shí)體的過程。與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)（如雕刻、鑄造等）不同，因此又叫添加制造（Additive Manufacturing或AM）。3D打印技術(shù)是集數(shù)字建模、機(jī)械控制、材料學(xué)以及信息技術(shù)等一系列尖端前沿知識(shí)為一體的新型技術(shù)。3D打印機(jī)是由控制機(jī)械以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由數(shù)字控制系統(tǒng)、機(jī)械控制、噴射系統(tǒng)快速成型系統(tǒng)組成。此外，新型材料技術(shù)、工藝成型技術(shù)、控制界面、人機(jī)交互等也是其重要部分。

3D打印機(jī)出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)90年代，最初是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。與普通打印原理相同，機(jī)器內(nèi)部裝有打印材料，由電腦控制，材料一層層疊加，最終將計(jì)算機(jī)里的“藍(lán)圖”轉(zhuǎn)變成為實(shí)體。這種技術(shù)稱為3D立體打印。

1 常見的3D打印技術(shù)有以下幾種

2 3D打印機(jī)的分類

“桌面級(jí)”也就是“個(gè)人消費(fèi)級(jí)”，對(duì)應(yīng)的則是“非消費(fèi)級(jí)”，也就是”工業(yè)級(jí)”而區(qū)分主要在成型材料以及工藝。目前可用材料十分廣泛，材質(zhì)大致可以分為金屬、塑料、樹脂，使用范圍甚至有出現(xiàn)生物材料的3D打印。

桌面機(jī)由于使用環(huán)境及使用對(duì)象的限制，材料本身要相對(duì)安全，因而大多選用ABS和PLA塑料。而工業(yè)機(jī)所用的材料大不相同，比如熔點(diǎn)在1400℃左右的金屬粉末。所以用料溫度區(qū)別了兩種打印機(jī)。

工業(yè)機(jī)一般體積龐大，要受到加溫設(shè)備安全措施以及成型尺寸等因素的影響，所以打印尺寸較大的一般都是工業(yè)機(jī)。

打印精度就二者的區(qū)分而言并不明顯。桌面機(jī)目前有FDM、SLA兩種技術(shù)，就技術(shù)而言桌面機(jī)和工業(yè)機(jī)相差不大。精度的最小分辨率由打印機(jī)材料擠出口大小決定，基本都在0.3-0.6mm之間，模型的厚層由縱向的Z軸決定，桌面機(jī)多用步進(jìn)電機(jī)，工業(yè)機(jī)則采用伺服電機(jī)，在打印過程中避免了失步等導(dǎo)致的精度失真問題。

工業(yè)機(jī)和桌面機(jī)的一個(gè)重要區(qū)分是打印速度，由于桌面機(jī)的成本限制，大多采用數(shù)據(jù)處理速度較為落后的16位和32 位芯片作為主控芯片，而工業(yè)機(jī)的處理芯片大多是64位，所以在掃描速度上工業(yè)機(jī)要遠(yuǎn)快于桌面機(jī)。

3 桌面機(jī)的發(fā)展前景

據(jù)研究表明，整個(gè)大行業(yè)在2015年價(jià)值約為48億美元，預(yù)計(jì)到2020 年，其市場(chǎng)價(jià)值將會(huì)達(dá)到205億美元。而相較于規(guī)模不斷擴(kuò)大的桌面機(jī)行業(yè)，以下的兩點(diǎn)將會(huì)對(duì)這一現(xiàn)象側(cè)重解釋。

3.1 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

據(jù)調(diào)查研究表明，桌面機(jī)正快速接近其同行中更高級(jí)別的3D打印機(jī)的水平。從最開始的原型機(jī)到現(xiàn)在廣為普及的ABS打印機(jī)，打印材料的普及大大降低了桌面機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 更為廣闊的市場(chǎng)需求

雖然桌面機(jī)最開始使用只限于愛好者和教育目的，然而在進(jìn)入市場(chǎng)后就受到了很大的關(guān)注，除了最開始的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究需求，現(xiàn)今的市場(chǎng)已經(jīng)遍布工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、藝術(shù)、珠寶、牙科以及消費(fèi)品等。在可預(yù)見的未來，更具成本效益的熔絲制造（FFF）技術(shù)將會(huì)占據(jù)3D打印市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。除此之外，美國(guó)、西歐、日本以及中國(guó)都將會(huì)成為3D打印機(jī)的大量采購(gòu)地區(qū)。所以說桌面級(jí)3D打印機(jī)的市場(chǎng)需求非常廣闊。

3.3 服務(wù)型需求

提到服務(wù)類的需求，就不得不提說桌面機(jī)一個(gè)非常顯著的特性即能夠高度滿足客戶的個(gè)性化需求。嚴(yán)格意義上來講這并不是桌面機(jī)的一個(gè)特點(diǎn)，所有的3D打印機(jī)都可以滿足此類需求，但是隨著科學(xué)技術(shù)的普及，人們的需求層次也得到了提高，越來越多的客戶更加傾向于自己的個(gè)性化定制。所以我們有理由相信在不久的將來，隨著越來越多的個(gè)性化需求的增加，桌面機(jī)將會(huì)有越來越大的市場(chǎng)需求。

4 結(jié)束語

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，伴隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的個(gè)性化需求，桌面級(jí)3D打印機(jī)必將從3D打印家族中脫穎而出，大批量的個(gè)性化定制將成為日后重要的生產(chǎn)模式。與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合也將催生出新的產(chǎn)業(yè)以及商業(yè)模式，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。桌面級(jí)3D打印機(jī)的發(fā)展所帶來的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)也會(huì)使得人們的生活帶來質(zhì)的改變。

作者簡(jiǎn)介：田韜毓（1991-），男，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)與人機(jī)交互。