桌面級3D打印機的技術發展及應用前景

田韜毓+關忻

摘 要：3D打印是快速成型技術的一種，先建立一個相應的數字模型，然后運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造物體。在對已有的3D打印技術以及現有的市場需求進行分析之后，本文對桌面級3D 打印機的全球商業化狀況進行了簡要的概括，進一步展望了對于桌面級3D 打印機的市場需求。

關鍵詞：3D打印；工業級；桌面級；快速成型

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

0 引言

3D打印技術是指在一定的技術支持下，通過對已構建的三維模型進行連續的物理層疊加，并逐層增加材料來完成由數據模型到三維實體的過程。與傳統的去除材料加工技術（如雕刻、鑄造等）不同，因此又叫添加制造（Additive Manufacturing或AM）。3D打印技術是集數字建模、機械控制、材料學以及信息技術等一系列尖端前沿知識為一體的新型技術。3D打印機是由控制機械以及計算機技術等構成的復雜機電一體化系統，主要由數字控制系統、機械控制、噴射系統快速成型系統組成。此外，新型材料技術、工藝成型技術、控制界面、人機交互等也是其重要部分。

3D打印機出現于上個世紀90年代，最初是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。與普通打印原理相同，機器內部裝有打印材料，由電腦控制，材料一層層疊加，最終將計算機里的“藍圖”轉變成為實體。這種技術稱為3D立體打印。

1 常見的3D打印技術有以下幾種

2 3D打印機的分類

“桌面級”也就是“個人消費級”，對應的則是“非消費級”，也就是”工業級”而區分主要在成型材料以及工藝。目前可用材料十分廣泛，材質大致可以分為金屬、塑料、樹脂，使用范圍甚至有出現生物材料的3D打印。

桌面機由于使用環境及使用對象的限制，材料本身要相對安全，因而大多選用ABS和PLA塑料。而工業機所用的材料大不相同，比如熔點在1400℃左右的金屬粉末。所以用料溫度區別了兩種打印機。

工業機一般體積龐大，要受到加溫設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機。

打印精度就二者的區分而言并不明顯。桌面機目前有FDM、SLA兩種技術，就技術而言桌面機和工業機相差不大。精度的最小分辨率由打印機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，桌面機多用步進電機，工業機則采用伺服電機，在打印過程中避免了失步等導致的精度失真問題。

工業機和桌面機的一個重要區分是打印速度，由于桌面機的成本限制，大多采用數據處理速度較為落后的16位和32 位芯片作為主控芯片，而工業機的處理芯片大多是64位，所以在掃描速度上工業機要遠快于桌面機。

3 桌面機的發展前景

據研究表明，整個大行業在2015年價值約為48億美元，預計到2020 年，其市場價值將會達到205億美元。而相較于規模不斷擴大的桌面機行業，以下的兩點將會對這一現象側重解釋。

3.1 科學技術的發展

據調查研究表明，桌面機正快速接近其同行中更高級別的3D打印機的水平。從最開始的原型機到現在廣為普及的ABS打印機，打印材料的普及大大降低了桌面機的運營成本。

3.2 更為廣闊的市場需求

雖然桌面機最開始使用只限于愛好者和教育目的，然而在進入市場后就受到了很大的關注，除了最開始的教學實驗室的基礎研究需求，現今的市場已經遍布工程、產品設計、藝術、珠寶、牙科以及消費品等。在可預見的未來，更具成本效益的熔絲制造（FFF）技術將會占據3D打印市場的主導地位。除此之外，美國、西歐、日本以及中國都將會成為3D打印機的大量采購地區。所以說桌面級3D打印機的市場需求非常廣闊。

3.3 服務型需求

提到服務類的需求，就不得不提說桌面機一個非常顯著的特性即能夠高度滿足客戶的個性化需求。嚴格意義上來講這并不是桌面機的一個特點，所有的3D打印機都可以滿足此類需求，但是隨著科學技術的普及，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，隨著越來越多的個性化需求的增加，桌面機將會有越來越大的市場需求。

4 結束語

隨著3D打印技術的快速發展，伴隨著人們日益增長的個性化需求，桌面級3D打印機必將從3D打印家族中脫穎而出，大批量的個性化定制將成為日后重要的生產模式。與現代服務業的緊密結合也將催生出新的產業以及商業模式，創造新的經濟增長點。桌面級3D打印機的發展所帶來的產品技術、制造技術也會使得人們的生活帶來質的改變。

作者簡介：田韜毓（1991-），男，研究方向：產品設計與人機交互。