3D打印機發(fā)展及其結構分析

趙錢孫，陳繼飛，吳桂峰，王超，宋鵬輝

(西南林業(yè)大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224)

0 引言

3D打印的英文全稱為Three dimensional printing，也稱作快速成型技術，屬于增材制造中的一種形式[1]。其工作原理是先利用三維軟件或者激光掃描等方式進行立體建模，再對三維模型進行切片分層處理，最后利用打印設備逐層打印，從而一層一層累積成立體實物[2,3]。3D打印發(fā)展至今，其相關技術已經逐漸趨于成熟，在工業(yè)制造與研發(fā)、航空航天、汽車研發(fā)制造、醫(yī)療器械制造等行業(yè)的應用也開始普遍[4]。在3D打印技術發(fā)展的同時，3D打印設備也在不斷的進步，而3D打印機作為3D打印的核心設備，其主要由高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成，是集機械、控制和計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統(tǒng)[5]。本文在查閱大量文獻和資料的基礎上，主要對3D打印的打印設備進行詳細闡述，并對3D打印設備結構分析以及對未來發(fā)展的展望，同時還淺談3D打印工藝技術、耗材材料等方面。

1 3D打印研究進展

3D打印作現(xiàn)代工業(yè)的標致性技術之一，在近幾十年內經歷了快速的發(fā)展，國內外都再進行相關的研究[1]。3D打印技術也越來越多，目前已經實現(xiàn)商業(yè)化的3D打印技術有七類，但其中主流的形式3D打印技術有:熔融沉積成型（FDM）、光固化成型(SLA)、選擇性激光燒結型（SLS）、分層實體制造成型（LOM）、三維噴繪打印(3DP)[6~9]。

（1）熔融沉積成型式3D打印是日常生活中最常用的打印方式，其耗材主要是絲狀。利用材料受熱變成液態(tài)或熔融態(tài)，冷卻后固化的原理，通過可加熱的噴頭機構、原料輸送裝置和機電控制系統(tǒng)的精確控制，完成物體每一層的印刷，層層疊加后實現(xiàn)物體的三維效果。如圖1所示。FDM式打印機具有價格便宜，成型工藝簡單，維護成本低，材料多樣化等優(yōu)點，但其打印精度低，成品表面紋路明顯需進一步處理。

圖1 熔融沉積成型式3D打印原理圖

（2）光固化成型式3D打印主要以液態(tài)的光敏樹脂作為耗材材料，結合數(shù)字控制技術，使用紫外激光束誘發(fā)樹脂表面發(fā)生光聚合反應，實現(xiàn)零件的一個薄層截面的固化。隨后工作臺下降浸入光敏樹脂液體中一個層面的厚度，使用紫外激光固化新的一層，如此反復逐層固化，最終實現(xiàn)零件的三維打印，其工作原理如圖2所示。SLA技術成型工藝簡單，具有較高的打印精度，成型零件具有較高的力學性能，但其打印速度較慢，并要求操作者具有較高的操作技能，目前主要應用于醫(yī)學研究、以及模具開發(fā)等領域。

圖2 光固化成型式3D打印原理圖

（3）選擇性激光燒結式，其打印耗材材料主要為金屬粉末材料，其打印方式均為使用激光或電子束等選擇性的逐層燒結耗材材料的固體粉末，最終實現(xiàn)固體粉末材料的三維實體制造，其原理如圖3所示。其中SLS與SLM技術使用激光為能量源略區(qū)別于EBM使用電子束轟擊金屬粉末，選擇性燒結固化具有耗材材料來源廣泛、燒結精度高、可成型制造復雜的零件且制造的零件具有較高的性能。但目前其耗材粉末制造工藝復雜、成本較高，且成型設備價格昂貴，對設備操控技能要求很高。目前我國在該技術領域使用的耗材材料主要依賴于進口，且缺乏高端技術人員，需要一定的時間來發(fā)展。

圖3 選擇性激光燒結式3D打印原理圖

（4）分層實體制造成型是早期的3D打印技術，打印原理與方式也最為直觀，如圖4所示。其使用“層”類材料由激光切割后，材料向前滾動后由激光按層要求切割，最后層層疊加而最終形成三維零件。LOM式打印方法相比于SLA、SLS來說更適用于制造大型零件，如汽車制造等工業(yè)領域。供其打印的耗材材料一般為金屬薄板、塑料薄板以及紙質材料等薄層材料，故LOM式3D打印在打印過程中材料的選取，不同類型的黏結劑，以及送料方式均針對不同零件的需要作出適當?shù)恼{整，同時要考慮到成本。針對大型零件的制造LOM方法雖然具有一定的速度優(yōu)勢，但是將打印的零件從廢料中剝離困難，且耗材材料使用率不高，浪費嚴重，打印零件的表面粗糙，具有明顯的階梯狀的紋路且容易開裂。需進一步加強材料與黏結劑的研究，從材料的成型與黏結劑的結合入手，改善現(xiàn)有打印過程中存在的問題。

圖4 分層實體制造成型3D打印原理圖

（5）三維噴繪打印(3DP)是采用類似噴墨打印機噴頭的工作方式如圖5，這種工藝與選擇性激光燒結十分類似，只是將激光燒結過程改為噴頭黏結，光柵掃描器改為黏結劑噴射頭。其優(yōu)點是打印速度快、價格低；缺點是打印出來的產品機械強度不高。

圖5 三維噴繪打印型3D打印原理圖

2 3D打印機的結構研究

3D打印機的結構通常都是根據(jù)打印材料、打印要求而設計，但是其具體的機械結構都是有理可尋的。不同的3D打印技術都有著不同的結構，但同為增材制造都是逐層制造，所以其原理類似。對于3D打印機結構的研究不單單針對某一種打印技術，而應該是通用的結構。通過對現(xiàn)有的3D打印機的結構進行總結分析，有助于進一步推動3D打印機的發(fā)展。

2.1 3D打印機以坐標系類型分類

常見的3D打印機為了完成三維立體打印，都需要以不同的方式在三維空間中進行定點定位，這時就需要利用坐標系來實現(xiàn)定位。而在3D打印機研究進展中，常見的不外乎為笛卡爾坐標系結構、極坐標系結構兩種。

笛卡爾坐標系結構是最常見的結構，是在各種3D打印技術上都是十分普遍的結構。其優(yōu)點在于結構簡單，方便制造，但其缺點也較明顯，由于采用直角坐標系，在進行弧面以及圓弧打印時，其只能通過圓弧插值的方法進行打印，就會導致打印精度較差，打印的圓弧面會有階梯狀的凸起。常見的基于笛卡爾坐標系的3D打印機涉及X、Y、Z三個向的運動，而噴頭與打印平臺的運動方式可以歸納為3類[10~11]。

（1）噴頭做X軸和Y軸方向的運動，打印平臺獨立做Z軸方向運動。該運動形式，噴頭較工作臺而言具有質量小、體積小等特點，適合高精度緊湊型3D打印機。但打印機噴頭在XY平面做復合運動會影響噴頭的正常出料，從而導致打印質量的下降。

（2）噴頭做X軸（或Y軸）和Z軸方向運動，打印平臺獨立做Y軸（或X軸）方向的運動?；蛘邍婎^獨立做X軸（或Y軸）方向運動，工作臺做Y軸（或X軸）和Z軸方向的運動。這運動形式將Z軸與X軸（或Y軸）結合進行復合運動，具有較小的運動慣量，且打印噴頭和工作平臺所需的運動空間較小，整體結構較為簡單，廣泛應用于小型家用3D打印機結構設計。

（3）打印平臺作X軸和Y軸方向的復合運動，噴頭僅在Z軸方向獨立運動。該運動形式的打印機結構簡單緊湊，但對于Z軸運動控制精度要求較高，由打印平臺在XY平面的移動需要較大的空間，且工作臺質量較大，不能用于較快速度的打印。

極坐標系結構是在平面內由極點、極軸和極徑組成的坐標系，由于其原理的特殊性，所以其打印結構可以簡化，從而使其運行安靜，外形別致，把復雜機械結構完成的動作都交給軟件端來完成，盡量保持機械結構的簡單。其優(yōu)點在于可以用較小的3D打印機打印較大的物件，且可以較高精度的打印弧面，有打印速度快，穩(wěn)定性好和控制簡單等[12]。缺點就是對軟件部分要求較高，需要大量計算。

圖6 極坐標系（左）與直角坐標系（右）3D打印機

2.2 3D打印機以外觀結構分類

目前商用3D打印機的外觀結構主要有三角型結構、矩形桿式結構、矩形盒式結構、并聯(lián)臂結構這四類，不同的結構有著各自的特點以及使用場景，如圖7所示。

圖7 不同外形結構的3D打印機

三角型結構是以三角形框架組成，框架呈屋頂形，外觀結構小巧，結構簡單，由于其結構優(yōu)勢，打印噴頭在支架中樣沿X、Z軸運動，在Y軸方向可以伸出較遠，增加了Y軸方向的打印尺寸。而其缺點在于機體的制作精度較低，通常只能達到mm級，在打印時打印物體隨熱床在Y軸前后移動容易導致黏附不牢。

矩形桿式結構是一個立方體結構，通常由桿件與固定件搭建成框架結構，打印噴頭安裝在框架內部與工作平臺進行運動組合，完成三維立體的打印。矩形桿式結構不但能媲美盒式結構組裝精度，還同樣具有三角形結構簡單可靠的特點。但是其同樣具有打印過程抖動較大，容易產生較大的位置誤差，打印過程難以維持工作臺的水平。

矩形盒式結構是商業(yè)化最為普遍的形式，整個3D打印的發(fā)展來歷程來看，這種形式的機器也是發(fā)展較為完整的機器。整體安裝精度高，商業(yè)化的3D打印機通常都會采用這種結構。通常采用矩形盒式結構的FDM技術的3D打印機，內部多用同步帶結構，當打印速度過快時會產生較大的振動，影響打印精度。此種結構不只是FDM技術的3D打印機會采用，其他類型的打印技術也經常采用。

并聯(lián)臂結構是一種閉鏈機構，其中較為典型的并聯(lián)機構有Delta結構與Stewart結構，其中Delta結構是一種早先應用于機械臂的并聯(lián)式運動結構。其通常采用三分支并聯(lián)臂，根據(jù)各個分支在Z軸方向的運動，轉變?yōu)閲婎^在三維空間的運動，從而實現(xiàn)三維打印。該種結構較簡單，而且打印精度高，打印速度快，缺點就在于需要大量的計算將各個分支的Z軸運動轉變?yōu)閲婎^的運動。該種結構具有優(yōu)良的性能，只是對軟件要求較高，在3D打印機領域具有重要的發(fā)展前景。

3D打印機都是通過打印平臺黏接固定打印零件，在Z軸方向逐層堆疊，從而形成三維立體結構。不管是FDM技術還是SLS技術的其成型原理一致，所以其大體結構存在相似性。傳統(tǒng)的3D打印機都是由外部框架支撐，以電機為動力源，以同步帶或者絲桿等機構進行傳動，根據(jù)實際需求選擇噴頭與打印工作臺的運動形式，從而完成立體結構的打印。常見的光固化打印技術與選擇性激光燒結技術這類3D打印技術略有不同，其類型的3D打印機沒有噴頭，但有材料供給的機構，其機構原理類似與噴頭，都是將材料送至打印區(qū)域。

傳統(tǒng)的3D打印機，在日漸發(fā)展的3D打印中已經不能滿足打印需求，目前主流的3D打印機已經從之前的三自由度機構逐步向多自由度發(fā)展，3D打印機的噴頭機構也同樣在進行改變，從單口向多口發(fā)展。結構也不在局限于簡單的結構，目前已經有將5自由度的機械臂用于3D打印機，或者結合并聯(lián)結構增加工作平臺的自由度從而實現(xiàn)多自由的打印。

3 3D打印機的發(fā)展方向與未來展望

3D打印隨著自身的發(fā)展，其在各個領域內的應用也在不斷拓展。就目前來看，3D打印已經在工業(yè)設計、藝術設計、機械制造、航空航天、軍事、醫(yī)學等等領域都得到了實際的運用[13~14]。但受限于目前3D打印技術的限制，無法在制造業(yè)中進行大批量的運用，普遍都是在方案設計、技術驗證、小批量模具制造等方面。3D打印從根本上改變了制造，使制造模式發(fā)生改變，但在如今的加工制造業(yè)需要的是高精度、高效率、多樣化的制造，雖然3D打印相較于傳統(tǒng)加工方式有著諸多優(yōu)勢，但依舊需要繼續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)如今在3D打印領域面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，需要逐步克服發(fā)展。在分析國內外在3D打印的研究進展，可以找到目前3D打印機的發(fā)展方向。其一，3D打印在朝著更高效、更精確發(fā)展，不可或缺的3D打印機也需要同步發(fā)展，所以3D打印機也朝著多自由度發(fā)展，通過增加自由度的形式可以有效提高打印精度，避免弧面打印時圓弧插值打印形成階梯狀結構，減少甚至免去打印時所需的支撐結構[15~17]。其二，實際打印中往往需要多種材料或者不同顏色等，單個噴頭的3D打印機無法滿足需求，目前國內外都在研究發(fā)展多噴頭3D打印機，以應對發(fā)展需求[7,18~21]。其三，目前在增材制造中不僅僅發(fā)展3D打印，還在3D打印的基礎上發(fā)展4D打印，將打印出來的零件具有可控性，具有良好的發(fā)展前景[22~23]。

3D打印在21世紀具有劃時代的重大意義，從科研到生產都有著良好的發(fā)展。相應的3D打印機也需要順應3D打印技術的發(fā)展，從簡單的框架結構到現(xiàn)在將機械臂以及并聯(lián)臂等結構運用于3D打印機，都是為了滿足各種打印需求。在網(wǎng)絡時代，3D打印機也在順應潮流，朝著先進化、智能化發(fā)展，相信在不久的發(fā)展后，3D打印會進入各行各業(yè)，進入到家家戶戶，實現(xiàn)產品私人化、定制化的未來。