桌面级塑料3D打印机的发展现状

嵇萍 刘泗岩

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

摘  要：该文将桌面级塑料3D打印机分为FDM与光固化两大类，桌面FDM 3D打印机又进一步分为普通型与高温型，介绍了其可打印材料、适用情景，以及Prusa i3、Makerbot、Ultimaker与Corexy等常见桌面FDM 3D打印机的结构特点;将光固化3D打印机分为激光SLA、DLP与LCD等类型，还介绍了各自的工作原理与代表性产品的技术特征，对DLP与LCD光固化机型的XY像素精度等参数做了对比;最后对不同类型3D打印机的优势与弱点作了总结，指出了未来的发展趋势。

关键词：3D打印   增材制造   FDM   光固化

中图分类号：TP334.8                       文献标识码：A文章编号：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打印設备按性能可分为工业级与桌面级，工业级3D打印机尺寸大，价格高，精度与可靠性好;桌面级3D打印机尺寸小，价格低，而精度与可靠性也可以接受。该文将价格低于5万元，XY面内打印尺寸小于400 mm×400 mm的3D打印机定义为桌面级，限于篇幅，暂且只讨论塑料材料的3D打印。桌面级塑料3D打印机有熔丝成型（Fused Deposition Modeling， FDM）与光固化两种类型。桌面FDM 3D打印机已从主要打印PLA材料的普通型，发展到了可打印各种高性能工程塑料与纤维增强复合材料的高温型。桌面光固化3D打印机在最近3年内快速兴起，激光SLA、DLP与LCD等类型都产生了高性价比的产品。自从2010年代产生以来，桌面3D打印机目前进入了又一个快速增长期，这为设计、教育、医疗等行业带来了福音。

1  桌面FDM 3D打印机的发展现状

1.1 FDM 3D打印工艺简介

FDM工艺使用热塑性塑料长丝作为耗材，长丝被输入到喷头中加热融化，并沉积在打印平台上，喷头与平台之间的相对运动由计算机控制，从而实现三维物体的沉积成型。FDM技术在1989年由Stratasys公司所发明，其工业级FDM设备一直是市场上的领导者。桌面级FDM设备源自英国Adrian Bowyer博士于2005年创建的Reprap项目，在其基础上，2009年Makerbot公司成立，桌面级FDM 3D打印机快速发展起来[1]。此后，许多企业纷纷推出了类似产品，目前国产桌面级FDM设备销售量已经领先世界，高端桌面FDM设备已进入世界一流。

根据可打印的材料，桌面FDM 3D打印机分为普通型与高温型两类。普通型桌面FDM 3D打印机的可打印的材料主要是PLA，打印ABS时可能存在失败风险，打印喷头温度一般在240 ℃以下。PLA是一种天然淀粉基可降解聚合物，环保性好，适合作为外形评估模型应用，也可作为烧失模型用于熔模铸造，但PLA的耐热性差，在50 ℃以上就容易变形，不能用作结构功能模型。普通型桌面FDM 3D打印机性能的提升主要在打印速度方面，通过采用高速打印喷头、直线导轨与CoreXY双臂并联等结构，XY面内的打印速度有望达到250～300 mm/s。

高温型桌面FDM 3D打印机的喷头温度能达到280 ℃以上，配恒温打印腔室与热屏蔽结构，能够可靠打印ABS、PC、尼龙等工程塑料以及纤维增强塑料复合材料，可用于结构模型、工装夹具等。高温型设备的可打印尺寸也比较大，XY打印尺寸在300 mm×300 mm以上，性能与尺寸逐渐向工业级FDM 3D打印机靠拢，而价格能维持在5万元以下，代表产品例如上海复志的Raised3D E2、Pro2等。

1.2 桌面FDM 3D打印机的结构

FDM 3D打印机的结构与性能直接相关，桌面FDM 3D打印机的结构主要包括普通笛卡尔式与并联三角洲式（也称Delta式）。笛卡尔式，即X、Y、Z三轴采用空间直角坐标系的布置，这是现在最常见的结构。并联三角洲式，将3个竖直轴向的滑块与3个并联臂铰接，并联臂的接合处安装打印头。该结构的运动惯量小，理论上可实现较高的打印速度，但安装调试比较困难，而且在竖直方向比较浪费空间，也不便于整机包装运输，目前主流厂家已不再生产该型产品，不过它在打印高而圆的物体上还是有结构优势，例如陶艺花瓶等。

笛卡尔式包括龙门架式与箱体式结构，龙门架结构的打印床布置在Y轴上，打印床上方为龙门架，龙门架的两个立柱上安装有丝杆与光轴组成的双Z轴，装有打印头的X轴组件安装在Z轴上[2]。龙门架结构也称Prusa i3结构，因为它是捷克人Josef Prusa在Reprap Mendel基础上改进，并以开源方式于2012年发布的第三个版本，它具有结构紧凑、便于安装的特点，深受广大DIY用户所喜爱。Prusa i3结构采取开放式打印空间，但一般配有加热床，能够比较稳定地打印PLA材料，属于入门级FDM 3D打印机，价格一般在1 000～2 000元之间。国内某些机型采用加固的钣金机架，主要组件整体式设计，安装更加简单、机器更加稳固，是性价比很高的入门级3D打印设备，例如JGMaker A3、A5，Anycubic Mega等。

箱体式结构的打印头在一个框架支撑的XY平面内运动，打印床安装在随Z轴移动的托架上。根据XY平面内运动方式的不同，又分为Makerbot、Ultimaker、CoreXY与Hbot等结构。Makerbot结构的X轴组件叠加安装在Y轴上，打印头安装在X轴上，因XY轴是串联的，也称XYZ结构，该结构简单可靠，缺点是X轴电机需要跟随Y轴运动，增加了Y轴的运动惯量[3]。

Ultimaker结构也称为交叉十字轴结构，XY方向两个光轴垂直交叉，交叉处用滑块连接，打印头安装在滑块上，XY驱动电机固定在机架上，通过皮带连接带动两个方向的光轴运动，交叉光轴不仅运动灵活，并且提高了刚度，缺点是成本有一定增加。相对于串联XY结构，Ultimaker与CoreXY、HBot都属于双臂并联结构。

CoreXY与HBot结构是都是通过皮带连接，来实现XY轴运动并联的。两者的区别是皮带绕行方式不同，HBot只使用一根皮带，CoreXY使用两根皮带，CoreXY皮带绕行方式虽然复杂一些，但受力更加均衡，動力学性能更好，因而能实现高速打印。

2  桌面光固化3D打印机的发展现状

2.1 激光SLA 3D打印机

光固化是最早的3D打印工艺，它由3D System公司在1984年发明，命名为Stereolithography（立体光刻），简称SLA。SLA过去曾是光固化的代称，但后来有了DLP与LCD等新的光固化工艺，SLA也常专指早期的激光光固化工艺。光固化3D打印工艺是利用光照引起光敏树脂交联固化的现象，使光敏树脂逐层曝光固化在平台上，曝光的区域由计算机控制，每固化沉积一层，平台运动一个层厚的距离，从而实现三维物体成型。光固化3D打印使用液态树脂成型，层厚可以更薄，因而精度更高，而且层间为固化交联连接，因而Z向强度比FDM要高。

根据不同的固化光源，光固化工艺可分为激光SLA（Laser-SLA）、DLP与LCD等类型。激光SLA采用紫外线激光作为光源，激光经过振镜反射与控制对成型面进行扫描，从而实现该层的固化。激光SLA由于采用逐点扫描，边界清晰，表面质量好，而且能够做到大尺寸成型，但由于涉及复杂的光学系统，技术难度大，成本较高。过去的激光SLA设备由于价格昂贵，仅用于工业界，直到2010年代以后，出现了桌面级的光固化3D打印机，光固化3D打印才逐渐普及开来。

桌面级激光SLA 3D打印机的龙头企业为Formlabs公司，其业务起步于2012年在Kickstarter上成功实现众筹的产品Form1，由于产品非常火爆，公司获得了巨额融资，现在公司已成长为估值10亿美元的独角兽企业。Formlabs首创了上拉式3D打印，区别于原工业SLA的下沉式3D打印，上拉式3D打印的打印床运动装置在树脂槽上方，激光从树脂槽底部照射，固化层在打印平台与树脂槽底之间，固化后需要从树脂槽底部剥离，并保持在打印平台上，打印过程的视觉效果就是打印件逐渐从树脂槽中拉出来。

上拉式3D打印的一个关键问题是固化层与树脂槽底要容易剥离，否则可能导致打印失败甚至设备损坏。Formlabs的第三代产品Form3采用Low Force Stereolithography （LFS）技术，通过使用柔性树脂槽与先进光学模块实现了低剥离力，这不仅保证了打印可靠性，而且支撑结构也可以更加轻盈，也就更容易拆除，不会损坏打印件的表面。Form3已进入中国市场，成型尺寸为145 mm×145 mm×185 mm，XY面内精度为25 μm，价格约为4万元，Form3L的成型尺寸为200 mm×335 mm×300 mm。

2.2 DLP光固化3D打印机

DLP光固化采用数字光投影机产生光源，每次曝光为整个截面，DLP的核心DMD（Digital micromirror Device）芯片决定投影机的分辨率，分辨率越高精度就越高，而高分辨率的紫外光DLP投影机成本较高，而且DLP投影机只能靠美国DI公司独家供应[4-5]。DLP 3D打印机的领导者为成立于2002年的EnvisionTec公司，其产品主要面向牙科与珠宝市场，该公司已被桌面金属3D打印机的独角兽企业Desk Metal公司于2021年收购。

2018年以来，中国的DLP 3D打印机进入快速增长期，许多公司都已经推出了DLP 3D打印机产品。例如：联泰科技，本来是工业级SLA设备的龙头企业，现在也推出了基于DLP的桌面级光固化3D打印机——E系列产品;新兴的企业Rayshape、Raised3D等分别推出了Shape1，Raised3D DF1等;另外，一些桌面级3D打印机主要厂家也已有DLP 3D打印机产品，例如纵维立方、创想三维、闪铸等。国产DLP 3D打印机的价格在40000～50000万元之间，与Form3价格相当。

DLP 3D打印机的可打印尺寸都比较小，X尺寸最大不超过200 mm，这是由目前DLP投影机的分辨率最高不超过2K（2 560×1 440）所决定的，打印尺寸越大，像素精度就越低。例如：Rayshape Shape1的XY面打印尺寸为192 mm×108 mm，像素精度为0.1 mm，说明其DLP光机的分辨率应该是1 920×1 080，高精版Shape1 HD的XY面打印尺寸为144 mm×81 mm，则其每个像素的尺寸就可以降低到144/1920=0.075mm。Raised3D DF1，XY面打印尺寸为182 mm×102 mm，像素尺寸0.075 mm，说明其采用的DLP光机分辨率应该是2 560×1 440。

2.3 LCD光固化3D打印机

LCD光固化也属于面曝光工艺，不同的是，它是采用LCD屏选择性允许紫外光透过的原理实现曝光的，因而LCD光固化也称为Mask SLA技术，LCD屏的背后为紫外光LED阵列，当LCD像素为黑时，紫外光不能穿过，像素为白时则能透过，通过控制LCD屏的像素来实现成型面的曝光控制[6]。由于LCD屏与紫外光阵列的成本很低，因此LCD光固化设备可以做到非常廉价。

LCD 3D打印机起源于2013年发布的DIY项目，当时的LCD屏是用现有平板电脑的屏幕拆去背光做的，第一代商业产品多采用手机流行的5.5英寸彩色屏，发展到第二代产品时有了3D打印机专用的6英寸2K黑白屏。黑白屏替代彩色屏，使得紫外光的透过率从1%提升到5%，不仅光效率高了5倍，而且由于降低了发热量，使得屏幕寿命提高了2.5倍，可以达到2 000 h。目前第三代主流产品的屏幕采用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会降低像素精度。典型产品例如Anycubic Mono X，XY面打印尺寸为192 mm×120 mm，像素尺寸为0.05 mm，最高打印速度为60 mm/h，价格在4 000元以下。在精度与可打印尺寸方面，LCD光固化已经超过了DLP工艺，而且设备价格仅为其1/10。

随着4K以上高分辨率LCD屏幕的推出，LCD光固化3D打印机将朝着高精度与大型化的方向发展。目前已经有了几款大尺寸LCD光固化3D打印机，例如：安世增材的DCD-300，采用14英寸4K屏，XY打印尺寸为300 mm×170 mm，像素尺寸为80 μm;闪铸科技的Foto13.3，采用13.3英寸4K屏，打印尺寸XY为292 mm×165 mm，XY像素尺寸为76 μm;奥创三维的SL400，采用15.6英寸4K屏，XY打印尺寸为345 mm×195 mm，像素尺寸为90 μm。预计不久以后，8K LCD屏产品将上市，上述产品的像素精度可以提高一倍，或者打印尺寸还可以进一步扩大。

与DLP工艺相比，LCD光固化设备存在光效率差的缺点，不过LCD屏研发人员宣称，紫外光透光率还可以进一步提高到12%，LCD屏的寿命也有望再提升一倍至4 000 h。LCD光固化工艺性能将进一步提升，再加上其在大尺寸、高精度、低价格等方面的优势，LCD光固化3D打印机在未来几年内将会有快速增长。

3  结语

在过去10年中，FDM与光固化两种桌面级3D打印机都有了快速发展，这两种工艺各有其优缺点。FDM工艺的优势首先在于可打印材料的多样性，包括天然可降解的PLA，高性能工程塑料以及纤维与塑料复合材料等，材料大多是开放的，不必局限于设备供应商一家。各种类型的光固化工艺一般都以405 nm光敏树脂为打印材料，材料种类少、价格高、强度与耐久性低于尼龙等工程塑料，并且有一定气味，打印时需要注意安全性。另外，桌面级FDM的打印尺寸可以达到400～500 mm以上，将趋近于工业级FDM设备。

光固化3D打印的主要优势在精度上，因而适合于牙科、珠宝等精度要求高、打印尺寸小的场合。在光固化工艺的各种类型中，激光SLA的精度最高，但速度比面曝光的DLP与LCD要慢，而且桌面级激光SLA设备只有Formlabs公司可提供，有很高的技术门槛。DLP工艺与激光SLA相比具有速度优势，与LCD工艺相比则可靠性胜出，然而DLP技术相对于LCD发展缓慢，而且技术为DI公司所垄断，未来增长具有不确定性。LCD 3D打印工艺还处于上升期，未来还会有快速增长。

参考文献

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

[2] 陈延凯.基于FDM技術3D打印机结构与工艺参数优化的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2020.

[3] 林兴国.UV辅助液体沉积成型3D打印工艺研究[D].南京：南京航空航天大学，2021.

[4] 蒋书鑫.连续纤维增韧陶瓷材料DLP成型技术与装备研究[D].南京：南京理工大学，2020.

[5] 周璇，王志明.基于DLP原理的3D打印机设计与实现[J].制造技术与机床，2018（4）：37-40.

[6] 陈韵律，安芬菊，廖小龙，等.基于LCD屏的光固化3D打印机设计[J].机电工程技术，2020，49（12）：

57-58，164.