26275779_3D打印机发展及其结构分析

橡塑技术与装备（塑料）

CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (PLASTICS)

3D打印机发展及其结构分析

赵钱孙，陈继飞，吴桂峰，王超，宋鹏辉

(西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224)

摘要：

3D

打印思想诞生于

19

世纪末，此后便在全球各地发展起来，在这百余年间发展出了多种

3D

打印技术以及多种应用

于

3D

打印的材料。

3D

打印机在这期间同样也在发展，从简单框架三自由度到现在发展的六自由度以及多喷头的结构，不同的

3D

打印机根据材料与打印要求的不同，而设计出对应的结构来不同的打印需求。文章采用文献研究法，系统的分析了近年来

3D

打印技术及

3D

打印机的发展情况，并对不同

3D

打印机的结构进行分析，同时对各类

3D

打印机的优缺点进行系统的总结与评价，

并通过实际结构对目前各种

3D

打印机的发展挑战进行了分析展望。

关键词：

3D

打印机；结构分析；结构分类；发展方向

中图分类号：

TQ334.8

文章编号：

1009-797X(2021)24-0044-05

文献标识码：

B DOI:10.13520/.2021.24.009

0

　引言

维喷绘打印(

3DP

)

[6~9]

。

（

1

）熔融沉积成型式

3D

打印是日常生活中最常

用的打印方式，其耗材主要是丝状。利用材料受热变

成液态或熔融态，冷却后固化的原理，通过可加热的

喷头机构、原料输送装置和机电控制系统的精确控制，

完成物体每一层的印刷，层层叠加后实现物体的三维

效果。如图

1

所示。

FDM

式打印机具有价格便宜，成

型工艺简单，维护成本低，材料多样化等优点，但其

打印精度低，成品表面纹路明显需进一步处理。

[1]

3D

打印的英文全称为

Three dimensional printing

，

。也称作快速成型技术，属于增材制造中的一种形式

其工作原理是先利用三维软件或者激光扫描等方式进

行立体建模，再对三维模型进行切片分层处理，最后

利用打印设备逐层打印，从而一层一层累积成立体实

物

[2,3]

。

3D

打印发展至今，其相关技术已经逐渐趋于

[4]

成熟，在工业制造与研发、航空航天、汽车研发制造、

医疗器械制造等行业的应用也开始普遍。在

3D

打

印技术发展的同时，

3D

打印设备也在不断的进步，而

3D

打印机作为

3D

打印的核心设备，其主要由高精度

机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统

组成，是集机械、控制和计算机技术等为一体的复杂

机电一体化系统

[5]

。本文在查阅大量文献和资料的基

础上，主要对

3D

打印的打印设备进行详细阐述，并

对

3D

打印设备结构分析以及对未来发展的展望，同

时还浅谈

3D

打印工艺技术、耗材材料等方面。

图

1

　熔融沉积成型式

3D

打印原理图

1

3D

打印研究进展

（

2

）光固化成型式

3D

打印主要以液态的光敏树

脂作为耗材材料，结合数字控制技术，使用紫外激光

束诱发树脂表面发生光聚合反应，实现零件的一个薄

层截面的固化。随后工作台下降浸入光敏树脂液体中

作者简介：赵钱孙（1997-），男，汉族，硕士研究生在读，

研究方向为先进制造技术、3D打印技术。

收稿日期：2021-08-03

3D

打印作现代工业的标致性技术之一，在近几十

年内经历了快速的发展，国内外都再进行相关的研究

[1]

。

3D

打印技术也越来越多，目前已经实现商业化的

3D

打印技术有七类，但其中主流的形式

3D

打印技术有

:

熔融沉积成型（

FDM

）、光固化成型(

SLA

)、选择性

激光烧结型（

SLS

）、分层实体制造成型（

LOM

）、三

·

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一个层面的厚度，使用紫外激光固化新的一层，如此

反复逐层固化，最终实现零件的三维打印，其工作原

理如图

2

所示。

SLA

技术成型工艺简单，具有较高的

打印精度，成型零件具有较高的力学性能，但其打印

速度较慢，并要求操作者具有较高的操作技能，目前

主要应用于医学研究、以及模具开发等领域。

赵钱孙 等·3D打印机发展及其结构分析

类材料由激光切割后，材料向前滚动后由激光按层要

求切割，最后层层叠加而最终形成三维零件。

LOM

式

打印方法相比于

SLA

、

SLS

来说更适用于制造大型零

件，如汽车制造等工业领域。供其打印的耗材材料一

般为金属薄板、塑料薄板以及纸质材料等薄层材料，

故

LOM

式

3D

打印在打印过程中材料的选取，不同类

型的黏结剂，以及送料方式均针对不同零件的需要作

出适当的调整，同时要考虑到成本。针对大型零件的

制造

LOM

方法虽然具有一定的速度优势，但是将打

印的零件从废料中剥离困难，且耗材材料使用率不高，

浪费严重，打印零件的表面粗糙，具有明显的阶梯状

的纹路且容易开裂。需进一步加强材料与黏结剂的研

究，从材料的成型与黏结剂的结合入手，改善现有打

印过程中存在的问题。

图

2

　光固化成型式

3D

打印原理图

（

3

）选择性激光烧结式，其打印耗材材料主要为

金属粉末材料，其打印方式均为使用激光或电子束等

选择性的逐层烧结耗材材料的固体粉末，最终实现固

体粉末材料的三维实体制造，其原理如图

3

所示。其

中

SLS

与

SLM

技术使用激光为能量源略区别于

EBM

使用电子束轰击金属粉末，选择性烧结固化具有耗材

材料来源广泛、烧结精度高、可成型制造复杂的零件

且制造的零件具有较高的性能。但目前其耗材粉末制

造工艺复杂、成本较高，且成型设备价格昂贵，对设

备操控技能要求很高。目前我国在该技术领域使用的

耗材材料主要依赖于进口，且缺乏高端技术人员，需

要一定的时间来发展。

图

4

　分层实体制造成型

3D

打印原理图

（

5

）三维喷绘打印(

3DP

)是采用类似喷墨打印机

喷头的工作方式如图

5

，这种工艺与选择性激光烧结

十分类似，只是将激光烧结过程改为喷头黏结，光栅

扫描器改为黏结剂喷射头。其优点是打印速度快、价

格低；缺点是打印出来的产品机械强度不高。

图

3

　选择性激光烧结式

3D

打印原理图

图

5

　三维喷绘打印型

3D

打印原理图

（

4

）分层实体制造成型是早期的

3D

打印技术，

打印原理与方式也最为直观，如图

4

所示。其使用

“

层

”

2

3D

打印机的结构研究

3D

打印机的结构通常都是根据打印材料、打印

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·

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要求而设计，但是其具体的机械结构都是有理可寻的。

不同的

3D

打印技术都有着不同的结构，但同为增材

制造都是逐层制造，所以其原理类似。对于

3D

打印

机结构的研究不单单针对某一种打印技术，而应该是

通用的结构。通过对现有的

3D

打印机的结构进行总

结分析，有助于进一步推动

3D

打印机的发展。

打印较大的物件，且可以较高精度的打印弧面，有打

印速度快，稳定性好和控制简单等

件部分要求较高，需要大量计算。

[12]

。缺点就是对软

2.1

3D

打印机以坐标系类型分类

常见的

3D

打印机为了完成三维立体打印，都需

要以不同的方式在三维空间中进行定点定位，这时就

需要利用坐标系来实现定位。而在

3D

打印机研究进

展中，常见的不外乎为笛卡尔坐标系结构、极坐标系

结构两种。

笛卡尔坐标系结构是最常见的结构，是在各种

3D

打印技术上都是十分普遍的结构。其优点在于结构简

单，方便制造，但其缺点也较明显，由于采用直角坐

标系，在进行弧面以及圆弧打印时，其只能通过圆弧

插值的方法进行打印，就会导致打印精度较差，打印

的圆弧面会有阶梯状的凸起。常见的基于笛卡尔坐标

系的

3D

打印机涉及

X

、

Y

、

Z

三个向的运动，而喷头

与打印平台的运动方式可以归纳为

3

类

[10~11]

图

6

　极坐标系（左）与直角坐标系（右）

3D

打印机

2.2

3D

打印机以外观结构分类

目前商用

3D

打印机的外观结构主要有三角型结

构、矩形杆式结构、矩形盒式结构、并联臂结构这四类，

不同的结构有着各自的特点以及使用场景，如图

7

所

示。

框架呈屋顶形，

三角型结构是以三角形框架组成，

外观结构小巧，结构简单，由于其结构优势，打印喷

头在支架中样沿

X

、

Z

轴运动，在

Y

轴方向可以伸出

较远，增加了

Y

轴方向的打印尺寸。而其缺点在于机

体的制作精度较低，通常只能达到

mm

级，在打印时

打印物体随热床在

Y

轴前后移动容易导致黏附不牢。

矩形杆式结构是一个立方体结构，通常由杆件与

固定件搭建成框架结构，打印喷头安装在框架内部与

工作平台进行运动组合，完成三维立体的打印。矩形

杆式结构不但能媲美盒式结构组装精度，还同样具有

三角形结构简单可靠的特点。但是其同样具有打印过

程抖动较大，容易产生较大的位置误差，打印过程难

以维持工作台的水平。

矩形盒式结构是商业化最为普遍的形式，整个

3D

打印的发展来历程来看，这种形式的机器也是发展较

为完整的机器。整体安装精度高，商业化的

3D

打印

机通常都会采用这种结构。通常采用矩形盒式结构的

FDM

技术的

3D

打印机，内部多用同步带结构，当打

印速度过快时会产生较大的振动，影响打印精度。此

种结构不只是

FDM

技术的

3D

打印机会采用，其他类

型的打印技术也经常采用。

并联臂结构是一种闭链机构，其中较为典型的并

联机构有

Delta

结构与

Stewart

结构，其中

Delta

结构

是一种早先应用于机械臂的并联式运动结构。其通常

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期

。

（

1

）喷头做

X

轴和

Y

轴方向的运动，打印平台独

立做

Z

轴方向运动。该运动形式，喷头较工作台而言

具有质量小、体积小等特点，适合高精度紧凑型

3D

打印机。但打印机喷头在

XY

平面做复合运动会影响

喷头的正常出料，从而导致打印质量的下降。

（

2

）喷头做

X

轴（或

Y

轴）和

Z

轴方向运动，打

印平台独立做

Y

轴（或

X

轴）方向的运动。或者喷头

独立做

X

轴（或

Y

轴）方向运动，工作台做

Y

轴（或

X

轴）

和

Z

轴方向的运动。这运动形式将

Z

轴与

X

轴（或

Y

轴）

结合进行复合运动，具有较小的运动惯量，且打印喷

头和工作平台所需的运动空间较小，整体结构较为简

单，广泛应用于小型家用

3D

打印机结构设计。

（

3

）打印平台作

X

轴和

Y

轴方向的复合运动，喷

头仅在

Z

轴方向独立运动。该运动形式的打印机结构

简单紧凑，但对于

Z

轴运动控制精度要求较高，由打

印平台在

XY

平面的移动需要较大的空间，且工作台

质量较大，不能用于较快速度的打印。

极坐标系结构是在平面内由极点、极轴和极径组

成的坐标系，由于其原理的特殊性，所以其打印结构

可以简化，从而使其运行安静，外形别致，把复杂机

械结构完成的动作都交给软件端来完成，尽量保持机

械结构的简单。其优点在于可以用较小的

3D

打印机

·

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采用三分支并联臂，根据各个分支在

Z

轴方向的运动，

转变为喷头在三维空间的运动，从而实现三维打印。

该种结构较简单，而且打印精度高，打印速度快，缺

赵钱孙 等·3D打印机发展及其结构分析

点就在于需要大量的计算将各个分支的

Z

轴运动转变

为喷头的运动。该种结构具有优良的性能，只是对软

件要求较高，在

3D

打印机领域具有重要的发展前景。

图

7

　不同外形结构的

3D

打印机

3D

打印机都是通过打印平台黏接固定打印零件，

在

Z

轴方向逐层堆叠，从而形成三维立体结构。不管

是

FDM

技术还是

SLS

技术的其成型原理一致，所以

其大体结构存在相似性。传统的

3D

打印机都是由外

部框架支撑，以电机为动力源，以同步带或者丝杆等

机构进行传动，根据实际需求选择喷头与打印工作台

的运动形式，从而完成立体结构的打印。常见的光固

化打印技术与选择性激光烧结技术这类

3D

打印技术

略有不同，其类型的

3D

打印机没有喷头，但有材料

供给的机构，其机构原理类似与喷头，都是将材料送

至打印区域。

传统的

3D

打印机，在日渐发展的

3D

打印中已经

不能满足打印需求，目前主流的

3D

打印机已经从之

前的三自由度机构逐步向多自由度发展，

3D

打印机的

喷头机构也同样在进行改变，从单口向多口发展。结

构也不在局限于简单的结构，目前已经有将

5

自由度

的机械臂用于

3D

打印机，或者结合并联结构增加工

作平台的自由度从而实现多自由的打印。

现如今在

3D

打印领域面临着诸多问题与挑战，

需要逐步克服发展。在分析国内外在

3D

打印的研究

进展，可以找到目前

3D

打印机的发展方向。其一，

3D

打印在朝着更高效、更精确发展，不可或缺的

3D

打印机也需要同步发展，所以

3D

打印机也朝着多自

由度发展，通过增加自由度的形式可以有效提高打印

精度，避免弧面打印时圆弧插值打印形成阶梯状结构，

减少甚至免去打印时所需的支撑结构

[15~17]

。其二，实

际打印中往往需要多种材料或者不同颜色等，单个喷

头的

3D

打印机无法满足需求，目前国内外都在研究

发展多喷头

3D

打印机，以应对发展需求

[7,18~21]

。其三，

目前在增材制造中不仅仅发展

3D

打印，还在

3D

打印

的基础上发展

4D

打印，将打印出来的零件具有可控

性，具有良好的发展前景

[22~23]

。

3D

打印在

21

世纪具有划时代的重大意义，从科

研到生产都有着良好的发展。相应的

3D

打印机也需

要顺应

3D

打印技术的发展，从简单的框架结构到现

在将机械臂以及并联臂等结构运用于

3D

打印机，都

是为了满足各种打印需求。在网络时代，

3D

打印机也

在顺应潮流，朝着先进化、智能化发展，相信在不久

的发展后，

3D

打印会进入各行各业，进入到家家户户，

实现产品私人化、定制化的未来。

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3

3D

打印机的发展方向与未来展望

3D

打印随着自身的发展，其在各个领域内的应用

也在不断拓展。就目前来看，

3D

打印已经在工业设计、

艺术设计、机械制造、航空航天、军事、医学等等领

域都得到了实际的运用

[13~14]

。但受限于目前

3D

打印

技术的限制，无法在制造业中进行大批量的运用，普

遍都是在方案设计、技术验证、小批量模具制造等方

面。

3D

打印从根本上改变了制造，使制造模式发生改

变，但在如今的加工制造业需要的是高精度、高效率、

多样化的制造，虽然

3D

打印相较于传统加工方式有

着诸多优势，但依旧需要继续发展。

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Development and structure analysis of 3D printer

Zhao Qiansun, Chen Jifei, Wu Guifeng, Wang Chao, Song Penghui

(School of Machinery and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

Abstract: The idea of 3D printing was born at the end of the 19th century. Since then, it has developed all

over the world. In these more than 100 years, a variety of 3D printing technologies and materials applied to

3D printing have been developed. 3D printers are also developing during this period. From the three degrees

of freedom of simple frame to the six degrees of freedom and multi nozzle structure developed now, different

3D printers design corresponding structures to meet different printing requirements according to different

materials and printing requirements. Using the literature research method, this paper systematically analyzes

the development of 3D printing technology and 3D printers in recent years, analyzes the structure of different

3D printers, systematically summarizes and evaluates the advantages and disadvantages of various 3D

printers, and analyzes and prospects the development challenges of various 3D printers through the actual

structure.

Key words: 3D printer; structural analysis; structural classification; development direction

(R-03)

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