桌面級塑料3D打印機的發展現狀

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打印機分為FDM與光固化兩大類，桌面FDM 3D打印機又進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打印機的結構特點;將光固化3D打印機分為激光SLA、DLP與LCD等類型，還介紹了各自的工作原理與代表性產品的技術特征，對DLP與LCD光固化機型的XY像素精度等參數做了對比;最后對不同類型3D打印機的優勢與弱點作了總結，指出了未來的發展趨勢。

關鍵詞：3D打印? ?增材制造? ?FDM? ?光固化

中圖分類號：TP334.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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打印設備按性能可分為工業級與桌面級，工業級3D打印機尺寸大，價格高，精度與可靠性好;桌面級3D打印機尺寸小，價格低，而精度與可靠性也可以接受。該文將價格低于5萬元，XY面內打印尺寸小于400 mm×400 mm的3D打印機定義為桌面級，限于篇幅，暫且只討論塑料材料的3D打印。桌面級塑料3D打印機有熔絲成型（Fused Deposition Modeling， FDM）與光固化兩種類型。桌面FDM 3D打印機已從主要打印PLA材料的普通型，發展到了可打印各種高性能工程塑料與纖維增強復合材料的高溫型。桌面光固化3D打印機在最近3年內快速興起，激光SLA、DLP與LCD等類型都產生了高性價比的產品。自從2010年代產生以來，桌面3D打印機目前進入了又一個快速增長期，這為設計、教育、醫療等行業帶來了福音。

1? 桌面FDM 3D打印機的發展現狀

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動由計算機控制，從而實現三維物體的沉積成型。FDM技術在1989年由Stratasys公司所發明，其工業級FDM設備一直是市場上的領導者。桌面級FDM設備源自英國Adrian Bowyer博士于2005年創建的Reprap項目，在其基礎上，2009年Makerbot公司成立，桌面級FDM 3D打印機快速發展起來[1]。此后，許多企業紛紛推出了類似產品，目前國產桌面級FDM設備銷售量已經領先世界，高端桌面FDM設備已進入世界一流。

根據可打印的材料，桌面FDM 3D打印機分為普通型與高溫型兩類。普通型桌面FDM 3D打印機的可打印的材料主要是PLA，打印ABS時可能存在失敗風險，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，環保性好，適合作為外形評估模型應用，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，不能用作結構功能模型。普通型桌面FDM 3D打印機性能的提升主要在打印速度方面，通過采用高速打印噴頭、直線導軌與CoreXY雙臂并聯等結構，XY面內的打印速度有望達到250～300 mm/s。

高溫型桌面FDM 3D打印機的噴頭溫度能達到280 ℃以上，配恒溫打印腔室與熱屏蔽結構，能夠可靠打印ABS、PC、尼龍等工程塑料以及纖維增強塑料復合材料，可用于結構模型、工裝夾具等。高溫型設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級FDM 3D打印機靠攏，而價格能維持在5萬元以下，代表產品例如上海復志的Raised3D E2、Pro2等。

1.2 桌面FDM 3D打印機的結構

FDM 3D打印機的結構與性能直接相關，桌面FDM 3D打印機的結構主要包括普通笛卡爾式與并聯三角洲式（也稱Delta式）。笛卡爾式，即X、Y、Z三軸采用空間直角坐標系的布置，這是現在最常見的結構。并聯三角洲式，將3個豎直軸向的滑塊與3個并聯臂鉸接，并聯臂的接合處安裝打印頭。該結構的運動慣量小，理論上可實現較高的打印速度，但安裝調試比較困難，而且在豎直方向比較浪費空間，也不便于整機包裝運輸，目前主流廠家已不再生產該型產品，不過它在打印高而圓的物體上還是有結構優勢，例如陶藝花瓶等。

笛卡爾式包括龍門架式與箱體式結構，龍門架結構的打印床布置在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]。龍門架結構也稱Prusa i3結構，因為它是捷克人Josef Prusa在Reprap Mendel基礎上改進，并以開源方式于2012年發布的第三個版本，它具有結構緊湊、便于安裝的特點，深受廣大DIY用戶所喜愛。Prusa i3結構采取開放式打印空間，但一般配有加熱床，能夠比較穩定地打印PLA材料，屬于入門級FDM 3D打印機，價格一般在1 000～2 000元之間。國內某些機型采用加固的鈑金機架，主要組件整體式設計，安裝更加簡單、機器更加穩固，是性價比很高的入門級3D打印設備，例如JGMaker A3、A5，Anycubic Mega等。

箱體式結構的打印頭在一個框架支撐的XY平面內運動，打印床安裝在隨Z軸移動的托架上。根據XY平面內運動方式的不同，又分為Makerbot、Ultimaker、CoreXY與Hbot等結構。Makerbot結構的X軸組件疊加安裝在Y軸上，打印頭安裝在X軸上，因XY軸是串聯的，也稱XYZ結構，該結構簡單可靠，缺點是X軸電機需要跟隨Y軸運動，增加了Y軸的運動慣量[3]。

Ultimaker結構也稱為交叉十字軸結構，XY方向兩個光軸垂直交叉，交叉處用滑塊連接，打印頭安裝在滑塊上，XY驅動電機固定在機架上，通過皮帶連接帶動兩個方向的光軸運動，交叉光軸不僅運動靈活，并且提高了剛度，缺點是成本有一定增加。相對于串聯XY結構，Ultimaker與CoreXY、HBot都屬于雙臂并聯結構。

CoreXY與HBot結構是都是通過皮帶連接，來實現XY軸運動并聯的。兩者的區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雜一些，但受力更加均衡，動力學性能更好，因而能實現高速打印。

2? 桌面光固化3D打印機的發展現狀

2.1 激光SLA 3D打印機

光固化是最早的3D打印工藝，它由3D System公司在1984年發明，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固化的現象，使光敏樹脂逐層曝光固化在平臺上，曝光的區域由計算機控制，每固化沉積一層，平臺運動一個層厚的距離，從而實現三維物體成型。光固化3D打印使用液態樹脂成型，層厚可以更薄，因而精度更高，而且層間為固化交聯連接，因而Z向強度比FDM要高。

根據不同的固化光源，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，激光經過振鏡反射與控制對成型面進行掃描，從而實現該層的固化。激光SLA由于采用逐點掃描，邊界清晰，表面質量好，而且能夠做到大尺寸成型，但由于涉及復雜的光學系統，技術難度大，成本較高。過去的激光SLA設備由于價格昂貴，僅用于工業界，直到2010年代以后，出現了桌面級的光固化3D打印機，光固化3D打印才逐漸普及開來。

桌面級激光SLA 3D打印機的龍頭企業為Formlabs公司，其業務起步于2012年在Kickstarter上成功實現眾籌的產品Form1，由于產品非常火爆，公司獲得了巨額融資，現在公司已成長為估值10億美元的獨角獸企業。Formlabs首創了上拉式3D打印，區別于原工業SLA的下沉式3D打印，上拉式3D打印的打印床運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打印的一個關鍵問題是固化層與樹脂槽底要容易剝離，否則可能導致打印失敗甚至設備損壞。Formlabs的第三代產品Form3采用Low Force Stereolithography （LFS）技術，通過使用柔性樹脂槽與先進光學模塊實現了低剝離力，這不僅保證了打印可靠性，而且支撐結構也可以更加輕盈，也就更容易拆除，不會損壞打印件的表面。Form3已進入中國市場，成型尺寸為145 mm×145 mm×185 mm，XY面內精度為25 μm，價格約為4萬元，Form3L的成型尺寸為200 mm×335 mm×300 mm。

2.2 DLP光固化3D打印機

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

2018年以來，中國的DLP 3D打印機進入快速增長期，許多公司都已經推出了DLP 3D打印機產品。例如：聯泰科技，本來是工業級SLA設備的龍頭企業，現在也推出了基于DLP的桌面級光固化3D打印機——E系列產品;新興的企業Rayshape、Raised3D等分別推出了Shape1，Raised3D DF1等;另外，一些桌面級3D打印機主要廠家也已有DLP 3D打印機產品，例如縱維立方、創想三維、閃鑄等。國產DLP 3D打印機的價格在40000～50000萬元之間，與Form3價格相當。

DLP 3D打印機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光機的分辨率應該是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光機分辨率應該是2 560×1 440。

2.3 LCD光固化3D打印機

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現曝光的，因而LCD光固化也稱為Mask SLA技術，LCD屏的背后為紫外光LED陣列，當LCD像素為黑時，紫外光不能穿過，像素為白時則能透過，通過控制LCD屏的像素來實現成型面的曝光控制[6]。由于LCD屏與紫外光陣列的成本很低，因此LCD光固化設備可以做到非常廉價。

LCD 3D打印機起源于2013年發布的DIY項目，當時的LCD屏是用現有平板電腦的屏幕拆去背光做的，第一代商業產品多采用手機流行的5.5英寸彩色屏，發展到第二代產品時有了3D打印機專用的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，而且由于降低了發熱量，使得屏幕壽命提高了2.5倍，可以達到2 000 h。目前第三代主流產品的屏幕采用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，價格在4 000元以下。在精度與可打印尺寸方面，LCD光固化已經超過了DLP工藝，而且設備價格僅為其1/10。

隨著4K以上高分辨率LCD屏幕的推出，LCD光固化3D打印機將朝著高精度與大型化的方向發展。目前已經有了幾款大尺寸LCD光固化3D打印機，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。預計不久以后，8K LCD屏產品將上市，上述產品的像素精度可以提高一倍，或者打印尺寸還可以進一步擴大。

與DLP工藝相比，LCD光固化設備存在光效率差的缺點，不過LCD屏研發人員宣稱，紫外光透光率還可以進一步提高到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一步提升，再加上其在大尺寸、高精度、低價格等方面的優勢，LCD光固化3D打印機在未來幾年內將會有快速增長。

3? 結語

在過去10年中，FDM與光固化兩種桌面級3D打印機都有了快速發展，這兩種工藝各有其優缺點。FDM工藝的優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合材料等，材料大多是開放的，不必局限于設備供應商一家。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、價格高、強度與耐久性低于尼龍等工程塑料，并且有一定氣味，打印時需要注意安全性。另外，桌面級FDM的打印尺寸可以達到400～500 mm以上，將趨近于工業級FDM設備。

光固化3D打印的主要優勢在精度上，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設備只有Formlabs公司可提供，有很高的技術門檻。DLP工藝與激光SLA相比具有速度優勢，與LCD工藝相比則可靠性勝出，然而DLP技術相對于LCD發展緩慢，而且技術為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

[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.

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57-58，164.