試圖顛覆技術革命 個人3D印表機首測

13D列印即將顛覆技術革命

    【中關村在線辦公列印頻道原創】「3D列印」這一誕生於80年代的技術如今卻成了超前科技的代言詞，迅速火便全球，美國《時代》周刊已將3D列印產業列為「美國十大增長最快的工業」；英國《經濟學人》雜誌認為這項技術將與數位化生產模式一起推動實現新的工業革命，將3D列印技術列為第三次技術革命範疇；在新浪微博上，關於3D列印的話題與分享數量非常多，有博主發表話題：「你可能認為3D列印僅存於科幻電影中，就算略有所聞，你也會反問：「這東西很酷，但能幹什麼？」設計工作室內一臺3D印表機的噴嘴正不斷地「吐絲」，而後被疊加於塑料板上。兩小時不到，一個動漫人物即可成型，每個市價均超過一百元，月銷量亦數以百計」，3D列印甚至成為個性化零售領域一塊新的市場，那麼3D列印是否真的有這麼神奇呢？

●3D列印即將顛覆技術革命

    「3D列印」這個詞是最近幾年才開始流行，過去在科研、教學或者製造領域被稱為「快速成型技術」，各大高校均在採用這項技術進行教學與實驗，清華大學設有雷射快速成型中心。隨著材料科學的快速發展，快速成型技術正在各個領域均有極大延伸，比如列印建築物、列印汽車、列印人體器官、列印骨骼，零件、模型更不用說，「3D列印」這個更為形象的叫法快速被大眾接受與普及。

個人3D印表機首測

    上海交大機械與動力學院習俊通教授：「我並不認為3D列印技術是多麼神乎其神的東西」，三維列印技術是由CAD模型直接驅動，快速製造任意複雜形狀三維物理實體的技術，與普通印表機的原理相同，將特殊材料（液體、粉末、塑料絲等）作為耗材，通過立體光刻、熔融沉澱、雷射燒結、3維噴射熔化樹脂等技術將電腦中的三維設計藍圖變成實物（下文中有技術分析）。

3D列印成型油電混合動力車

3D列印立體文物

3D列印幫助牙醫給患者帶來完美的口腔

    目前美國的3D列印技術較為領先，應用範圍更廣，而在國內，今年1月份，華中科技大學材料科學與工程學院副院長史玉升帶領的團隊成功研製出世界上最大的3D立體印表機，並且憑藉這一研究成果入選兩院院士評選的「2011年中國十大科技進展」，中國的3D列印正在快速發展，從工業和製造業應用開始朝個人和小型化方向發展，近期，中關村在線辦公頻道拿到了一臺國內領先的個人3D印表機產品，在高校教學、模型製作、零件加工等領域應用前景非常好，讓我們有機會零距離去解密這個當下最神奇最酷的列印產品。

3D印表機列印出來的各種模型

    早期一套用於工業設計製造的3D列印設備在10萬美金左右，近幾年價格降低到2萬美金左右，而小型化個人桌面3D印表機售價在1000美金左右，我們拿到的這臺UP！3D印表機官方售價9999元人民幣，這款國產3D印表機已經在美國等國外地區銷售。

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2UP！3D印表機核心資料

●UP！3D印表機核心資料

    既然3D列印這麼神奇，它離我們最近的距離有多遠呢？其實，它就在我們身邊，本期測試的主角是一臺UP！3D印表機，屬於小型化個人產品，誕生於2011年，屬於國產品牌，它是快速成型技術在小型3D列印應用的產物，主要用於快速個性模型製作、零件加工、教學等多種應用。

UP！3D印表機正在列印模型

    UP！3D印表機採用的就是熔融成型技術，高溫加熱ABS塑料絲，通過列印頭將塑料絲擠出，按照電腦中的3D模型層層堆積而成，在列印過程中，軟體可更具需求自動生成支撐物，從而保證列印物品的完整性，列印完成後去掉支撐物即可，用戶可選擇不同顏色的ABS塑料絲作為原材料列印，我們本次測試使用白色的塑料絲。

個人3D印表機工作中

    我們測試的這款3D印表機成型平臺尺寸為14*14*13.5cm，也就是最大列印物品的尺寸，噴絲直徑在0.15-0.4mm，用戶可以根據需求進行設置，精度越高，列印耗費時間越長，這款3D印表機以ABS或PLA塑料為原料，列印前準備時間需要15分鐘左右，預熱時間在3-5分鐘，列印頭工作溫度在260攝氏度左右，平臺溫度在60-70攝氏度。

UP!3D印表機基本參數
成型平臺	寬140 x 長140 x 高135mm
支撐	自動生成
成型層厚	0.15-0.40mm
成型材料	ABS/PLA
系統運行環境	Windows/MAC
設備尺寸	寬245 x 長260 x 高350mm
設備重量	5公斤
列印前準備耗時	15分鐘
包括	工具、ABS材料，準備列印用的所有配件
保質期	3個月（免費部件更換)

    用戶在列印設置中選擇不同的層厚，也就是不同的精度，列印時間不同，精度越高，列印時間越長。

    對於一些較為複雜的模型，需要建立支撐輔助3D列印順利完成，UP！三維印表機能夠通過軟體自動生成模型列印過程中需要的支撐部分，用戶在建模過程中無需考慮支撐部分。

3個人3D印表機安裝與調試

●個人3D印表機安裝與調試

    今天我們測試的UP！三維印表機，支持windows與mac平臺，在進行測試之前，我們先對其進行驅動安裝，目前已有最新中文版驅動程序，安裝過程與安裝普通印表機驅動區別不大，據了解，驅動程序的核心已經使用了超過10年的時間。

成功安裝3D印表機驅動程序

    安裝完驅動程序之後，打開印表機電源，將USB線連接電腦與印表機，電腦會自動識別驅動，電腦正確識別完3D印表機之後，我們打開驅動程序確認電腦與印表機是否正常連接。

3D印表機驅動軟體界面

    在使用之前，我們需要對UP!三維印表機進行初次使用調試，主要包括調整成型平臺水平，耗材安裝與擠絲。

3D印表機驅動軟體維護界面（點擊放大）

3D印表機成型平臺調平螺絲

    在成型平臺下方有三顆六角螺絲，在驅動程序的維護界面，將成型平臺升至與印表機接近的位置，分別將列印頭調整到成型平臺的四角與中心，利用肉眼觀察列印頭與成型平臺的距離，調節平臺下的螺絲將成型平臺調整至相對水平的狀態。

3D印表機塑料絲進入孔

    UP！三維印表機的耗材是ABS塑料絲，將塑料絲插入列印頭頂部的小孔內，在驅動程序維護選項中選擇「擠出」，等待列印頭溫度上升到260攝氏度左右，列印頭會擠出細絲，可以進入列印狀態，點擊停止退出維護狀態。

4視頻：個人3D印表機列印測試

●視頻：個人3D印表機列印測試

    在本次測試中，筆者使用的3D模型數據來源於中國傳媒大學動畫與數字藝術學院遊戲設計藝術教研室主任李晉老師，模型原型是一個中國傳統的龍頭形象，底部是一個類似印章底座的結構，我們暫且稱其為「龍頭印章」。

視頻

用軟體打開3D模型，經過旋轉調整位置

3D列印提示（點擊放大）

3D列印提示（點擊放大）

3D印表機正在列印模型的基地，測試設置2毫米

3D印表機正在列印

3D印表機列印模型

3D列印完成之後的模型

    龍頭模型的底座尺寸為4.5cm*4.5cm，高度為9cm，設置選項中，層片厚度為0.3毫米，基地厚度為2毫米，填充選擇為第二級密度填充，軟體計算預計模型重量為40.8克。

去掉模型外面的支撐物

    從開始列印到列印結束，全部花費時間在2個小時05分鐘。

列印出的3D模型與設計圖對比

    列印完成之後，我們能看到龍頭印章被支撐包裹，無需工具就可以把列印過程中留下的支撐部分去掉，較為完美的龍頭印章出爐了。

    列印質量評價：經過仔細觀察，龍頭印章底部四角輕微翹起，原因是列印過程中列印頭風扇吹風口處於打開狀態，在列印基地時，建議關閉風扇朝下吹的出風口，這樣底座的平整度會更好，印章整體由0.3毫米厚的塑料絲層疊構成，在印章側面能感覺到整齊的螺紋，龍頭部分的細節還原較好，犄角的尖端和鬍鬚的尖端會出新輕微的毛刺，毛刺的產生主要是由於支撐的塑料絲與其連接處斷開後產生，對模型的整體性沒有太大影響，而且可以通過加工讓模型更加完美，模型細節的表現令人滿意。

5「龍頭印章」3D列印結果展示

●「龍頭印章」3D列印結果展示

    下面展示「龍頭印章」列印後的立體模型。

3D列印模型：未去除支撐物之前

  
3D列印模型：未去除支撐物之前

3D列印模型：未去除支撐物之前

3D列印模型：去除支撐物之後

 

 
3D列印模型：去除支撐物之後

3D列印模型：去除支撐物之後

3D列印模型：去除支撐物之後

    評測總結：利用3D印表機，我們可以快速列印出個性化的模型，而這也正式這款個人3D印表機的使命所在，從列印出的模型精度來看，能夠滿足模型愛好者、設計公司、小型工廠的快速模型列印需求，然而從易用性、維護以及性能來看，未來仍然有較大的改進空間，比如更加好看的外形、更簡單的調試與維護、更快的列印速度、更高的列印精度，適應更多不同顏色不同材料介質列印，無論對於個人3D列印還是工業用3D列印而言，均有較大的發展空間。如今3D列印的概念如此火熱，未來發展極有可能會出現井噴，應用在各行各業。

    以上是我們第一次評測3D印表機，本期評測算是拋磚引玉，後續我們還會繼續對3D印表機進行深入挖掘，包括不同精度的列印時間以及列印效果，還有列印功耗等更為詳細的測試，感受3D列印的魅力所在，推動3D列印在國內的後續發展。

6國內3D列印成品展示

●國內3D列印成品展示

    下面展示一些國內外通過3D印表機列印出來的作品，與大家分享3D列印的魅力所在。

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

國內3D印表機輸出作品欣賞

 
3D列印造型複雜的燈具，金屬材質很難實現

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7附錄：光固化與熔融沉澱成形工藝

●附錄：光固化與熔融沉澱成形工藝

    前面我們大概了解過，3D列印並非什麼新概念，是將過去快速成型技術換了一個說法，而根據材料與加工設備的不同，技術上主要有以下幾大類：（技術原理內容來源於網絡共享資料）

1． SL工藝 ： 光固化/立體光刻
2． FDM工藝： 熔融沉積成形
3． SLS工藝： 選擇性雷射燒結
4． LOM工藝： 分層實體製造
5． 3DP工藝： 三維印刷
6． PCM工藝： 無木模鑄造

一、光固化成型（簡稱：SLA或AURO）光敏樹脂為原料

    光固化成形是最早出現的快速成形工藝。其原理是基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長(x=325nm)和強度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速發生光聚合反應, 分子量急劇增大, 材料也就從液態轉變成固態。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。多年的研究改進了截面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達到0.1mm，現在最高精度已能達到0.05mm。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。

光固化成型（簡稱：SLA或AURO）原理圖

    光固化工藝的優點是精度較高、表面效果好，零件製作完成打磨後，將層層的堆積痕跡去除。光固化工藝運行費用最高，零件強度低無彈性，無法進行裝配。光固化工藝設備的原材料很貴，種類不多。光固化設備的零件製作完成後，還需要在紫外光的固化箱中二次固化，用以保證零件的強度。液漕內的光敏樹脂經過半年到一年的時間就要過期，所以要有大量的原型服務以保證液漕內的樹脂被及時用完，否則新舊樹脂混在一起會導致零件的強度下降、外形變形。如需要更換不同牌號的材料就需要將一個液漕的光敏樹脂全部更換，工作量大、樹脂浪費很多。一年內液漕光敏樹脂必須用完否則將會變質，用戶需要重新投入近十萬元採購光敏樹脂。三十萬的端面泵浦固體紫外雷射器只能用1萬小時，使用兩年後雷射器更換需要二次投入三十萬的費用。振鏡系統也是有易損件，再次更換需要十幾萬元的投入。由於設備的運行費用高，這種設備一般被大型集團或有足夠資金的企業採購。

二、熔融擠出成型（簡稱FDM）蠟、ABS、PC、尼龍等為原料

    熔融擠出成型(FDM)工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，並與周圍的材料粘結。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發生變化，當形狀發生較大的變化時，上層輪廓就不能給當前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些輔助結構－「支撐」，對後續層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現。

熔融擠出成型原理圖

    這種工藝不用雷射，使用、維護簡單，成本較低。用蠟成形的零件原型，可以直接用於失蠟鑄造。用ABS製造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。近年來又開發出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接製造功能性零件。由於這種工藝具有一些顯著優點，該工藝發展極為迅速，目前FDM系統在全球已安裝快速成形系統中的份額大約為30％

8附錄：選擇性雷射燒結與分層實體製造

●附錄：選擇性雷射燒結與分層實體製造

三、選擇性雷射燒結（簡稱SLS）不同材料的粉末為原料

    SLS工藝又稱為選擇性雷射燒結，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard於1989年研製成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，並刮平；用高強度的CO2雷射器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的雷射照射下被燒結在一起，得到零件的截面，並與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結完後，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面。

選擇性雷射燒結原理圖

    SLS工藝最大的優點在於選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結對象。粉床上未被燒結部分成為燒結部分的支撐結構，因而無需考慮支撐系統（硬體和軟體）。SLS工藝與鑄造工藝的關係極為密切，如燒結的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟模，熱塑性材料燒結的模型可做消失模。

四、分層實體製造(LOM)－沒落的快速成型工藝

    LOM工藝稱為分層實體製造，由美國Helisys公司的Michael Feygin於1986年研製成功。該公司已推出LOM-1050和LOM-2030兩種型號成形機。LOM工藝採用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先塗覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO2雷射器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，並在截面輪廓與外框之間多餘的區域內切割出上下對齊的網格；雷射切割完成後，工作檯帶動已成形的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離；供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區域；工作檯上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反覆直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層製造的實體零件。

分層實體製造原理圖

    研究LOM工藝的公司除了Helisys公司，還有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清華大學、華中理工大學等。但因為LOM工藝材料僅限於紙，性能一直沒有提高，以逐漸走入沒落，大部分廠家已經或準備放棄該工藝。

9附錄：分層印刷與無木模製造

●附錄：分層印刷與無木模製造

五、三維印刷(3DP)－高速多彩的快速成型工藝

    三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人研製的。E.M.Sachs於1989年申請了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形範疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，採用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如矽膠)將零件的截面「印刷」在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須後處理。具體工藝過程如下：上一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射粘結劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射粘結劑的地方為乾粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束後，比較容易去除。

三維印刷原理圖

    三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人研製的。E.M.Sachs於1989年申請了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形範疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，採用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如矽膠)將零件的截面「印刷」在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須後處理。具體工藝過程如下：上一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射粘結劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射粘結劑的地方為乾粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束後，比較容易去除。

六、無模鑄型製造技術（PCM）－製作大型鑄件的快速成型工藝

    無模鑄型製造技術（PCM，Patternless Casting Manufacturing）是由清華大學雷射快速成形中心開發研製。該將快速成形技術應用到傳統的樹脂砂鑄造工藝中來。首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產生控制信息。造型時，第一個噴頭在每層鋪好的型砂上由計算機控制精確地噴射粘接劑，第二個噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑，兩者發生膠聯反應，一層層固化型砂而堆積成形。粘接劑和催化劑共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍為顆粒態。固化完一層後再粘接下一層，所有的層粘接完之後就得到一個空間實體。原砂在粘接劑沒有噴射的地方仍是幹砂，比較容易清除。清理出中間未固化的幹砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，在砂型的內表面塗敷或浸漬塗料之後就可用於澆注金屬。 

無模鑄型製造技術原理圖

    和傳統鑄型製造技術相比，無模鑄型製造技術具有無可比擬的優越性，它不僅使鑄造過程高度自動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統工藝的許多障礙，使設計、製造的約束條件大大減少。具體表現在以下方面：製造時間短、製造成本低、無需木模、一體化造型， 型、芯同時成形、無拔模斜度、可製造含自由曲面（曲線）的鑄型。

    在國內外，也有其它一些將RP技術引入到砂型或陶瓷型鑄造中來的類似工藝。其中較為典型的有：MIT開發研製的3DP（Three Dimensional Printing）工藝、德國Generis公司的砂型製造工藝等。