桌面 3D 打印机如何改变 3D 打印

桌面 3D 打印在过去十年中经历了一些革命。该技术始于消费市场，现已成为工业、专业市场的重要组成部分。通过实现更便宜、更快速的生产，桌面 3D 打印机正日益成为工业领域的重要组成部分。

但是是什么推动了这种转变，它对桌面 3D 打印和 3D 打印的现在和未来意味着什么？

RepRap：通过桌面使 3D 打印民主化

2018 年，3D 打印行业庆祝了 RepRap 项目成立 10 周年，该项目将被证明有助于桌面 3D 打印的发展。

RepRap，复制快速原型的缩写 ，一开始的想法是制造一种低成本的桌面 3D 打印机，可以打印许多自己的组件。该项目的目标雄心勃勃：让尽可能多的人使用这些桌面 3D 打印机。

由巴斯大学的 Adrian Bowyer 博士领导的开源项目在自己动手 (DIY) 社区取得了巨大成功。但对于桌面 3D 打印，它的影响要深得多。

随着 RepRap 运动从 2008 年开始，一批新的低成本桌面 3D 打印机制造商出现了。例如，成立于 2009 年的 MakerBot 成为推动通过 3D 打印改变生产愿景的公司之一。

在 RepRap 运动成功的基础上，MakerBot 开始为想要构建自己的 3D 打印机和 3D 打印产品的消费者生产开源 DIY 套件。

MakerBot 最受认可的 3D 打印机 Replicator 2 于 2012 年发布，恰逢消费者 3D 打印泡沫的高度。随着业界普遍押注桌面 3D 打印机进入主流家庭，Makerbot 希望开启消费 3D 打印的新时代。

众所周知，3D 打印革命从未实现——至少在消费市场中没有实现。

大众消费者采用的一个主要障碍是操作机器所需的复杂程度。再加上有限的材料选择和对设计技能的需求，3D 打印机还没有成为消费者友好型产品。

建立消费市场的斗争已迫使许多桌面 3D 打印机制造商倒闭。然而，通过从消费者市场过渡到专业和企业市场，少数人幸存下来并蓬勃发展。

从消费者到工业

虽然桌面 3D 打印尚未在消费市场中找到自己的定位，但该技术已成为工业制造领域的重要组成部分。

桌面 3D 打印领域在过去十年中呈指数级增长。 2009 年估计售出 1,816 台系统（Wohlers 报告 2015），这一数字在 2017 年飙升至超过 500,000 台（Wohlers 报告 2018）。

对更小且成本仅为大型系统的一小部分的工业系统的需求是工业应用桌面 3D 打印兴起的关键因素。

今天的桌面 3D 打印机在专业环境中具有广泛的用途，为快速原型制作、模具和最终部件生产提供了一种经济实惠的工具。

Ultimaker：从 DIY 套件到工厂车间解决方案

FFF 3D 打印机制造商 Ultimaker 是成功实现从消费类 3D 打印向工业 3D 打印飞跃的公司的最突出例子之一。

“Ultimaker 从未真正接受 2012 年至 2013 年期间发生的整个消费者炒作，”Ultimaker 北美总裁 John Kawola 在接受 AMFG 采访时表示。

“我们总是看到消费市场的真正差异，那些已经是铁杆制造商或爱好者的人在家中已经拥有必要的设备。我们认为这是一个很好的 3D 打印市场。普遍的炒作延伸到认为每个人都会拥有一台 3D 打印机——我认为事实证明这是不正确的，至少当时不是，而且可能直到今天仍然如此。”

Ultimaker 成立于 2011 年，已从制造 DIY 套件转变为生产已被大众汽车和捷普等公司采用的工业桌面系统。

Ultimaker 的第一台机器 Ultimaker Original 于 2011 年开发，并作为套件分发给创客社区。该机器可以以 20 微米的分辨率打印高达 21 x 21 x 20.5 厘米的物体。虽然对于业余爱好者来说已经足够了，但该机器缺乏工业应用所需的速度、质量和材料选择。

从那以后的几年里，Ultimaker 采取了战略举措来开发适用于工业应用的桌面解决方案。

2013 年，该公司发布了 Ultimaker 2，它演变为更大的 Ultimaker 2+ 系统。一年后，随着 Ultimaker 3 机器的推出，该公司将其技术向专业市场又迈进了一步。

与 Ultimaker 2 相比，第三种型号的构建体积高出 10 厘米，以及旧系统不具备的新双挤压功能。

双挤压特别有益，因为它允许用户使用两种材料进行打印，例如使用标准材料和可溶解支撑材料，或两种不同颜色的材料。

2018 年，该公司发布了最新的桌面 3D 打印机：Ultimaker S5。

与 Ultimaker 3 的 21.5 x 21.5 x 30.0 厘米相比，双挤出 Ultimaker S5 的构建体积更大，为 33 x 24 x 30 厘米，并且可以达到高达 280˚C 的打印温度。这使得它特别适用于 PC 和尼龙等高温工程材料。

用例：喜力

喜力啤酒是世界上最大的酿酒公司之一，它一直在其位于西班牙的啤酒厂使用 Ultimaker 的 S5 打印机来生产一系列定制工具和备件。

采用桌面 3D 打印后，喜力报告称，与传统制造的零件和工具相比，该技术降低了 70-90% 的成本。它还显着增加了生产正常运行时间。

该公司还可以使用 3D 打印优化其机器组件的设计。例如，该团队重新设计并 3D 打印了一个金属部件，该部件与传送带上的质量传感器一起使用，以前经常会撞倒瓶子。

喜力的例子说明了桌面 3D 打印机的发展程度，以支持工厂车间的多种应用。

Formlabs：将 SLA 引入桌面

与桌面 FFF 3D 打印一样，桌面立体光刻 (SLA) 系统的采用在过去几年中也开始兴起。

与 FFF 3D 打印的情况一样，2000 年代末几项 SLA 专利的到期是桌面 SLA 3D 打印兴起的催化剂。 Formlabs 是利用这种不断变化的格局的一家公司。

Formlabs 成立于 2012 年，同年发布了其第一台桌面 SLA 机器 Form 1。该公司从一开始就针对专业用户，在 Kickstarter 上筹集了近 300 万美元，旨在将“真正专业机器的功能和分辨率”带到桌面。

当时，SLA 机器市场由更大、更昂贵的工业 3D 打印机主导，大多数小公司无法进入。

随着表单的引入，人们渴望改变这种现状，并使 SLA 更加实惠和易于访问。

这方面的关键里程碑之一是 Formlabs 的 Form 2 机器的发布。 Form 2 具有 14.5 × 14.5 × 17.5 厘米的构建体积和强大的光学引擎，可实现高质量、可靠的打印。

然而，任何熟悉 3D 打印的人都知道，打印过程只是工作流程的一部分。在 SLA 中，清洗和固化等后处理操作是获得高质量结果所必需的，但通常是手动完成的。

Formlabs 明白，要将其解决方案进一步扩展到专业市场，需要尽可能简化流程。

考虑到这一点，Formlabs 发布了 Form 2 的 Form Wash 和 Form Cure 后处理配件。清洗和固化站有助于清理和固化打印件，使一些手动后处理步骤自动化。

为满足自动化 3D 打印日益增长的趋势，该公司于 2017 年展示了用于可扩展 3D 打印生产的 Form Cell 平台。该解决方案包括一个包含五台 Form 2 3D 打印机的外壳和一个由移动机器人管理的 Form Wash 和 Form Cure 模块龙门架。

用例：Northwell Health

纽约州最大的医疗保健提供商 Northwell Health 一直是 Form Cell 的早期用户之一，使用该机器制作针对患者的解剖模型和手术导板。

通过使用 3D 打印的个性化解剖模型，Northwell Health 的外科医生可以更有效地为困难的手术做准备，并减少在手术室中花费的时间。根据 Northwell Health 的估计，由于避免了手术室成本，后者每年最多可节省 1,750,000 美元。

将 SLA 引入桌面并不断改进技术帮助 Formlabs 巩固其在工业市场中的地位。据报道，该公司是全球最大的 SLA 3D 打印机销售商，已售出 40,000 多台系统。

发现进入其他技术的机会，Formlabs 还在 2017 年宣布了它的第一个基于粉末的桌面 SLS 系统 Fuse 1。再加上今年早些时候推出的最新系列 SLA 3D 打印机——Form 3 和大幅面 Form 3L — Formlabs 看起来将保持其作为专业桌面 3D 打印机领先制造商之一的地位。

RIZE：使桌面 3D 打印可持续

根据硬件制造商 RIZE 的说法，将工业机器安装到桌面格式会带来很多好处，但这只是其中的一部分。为了帮助工业桌面3D打印真正腾飞，它需要变得更简单、更安全。

RIZE 首席执行官安迪·卡兰比 (Andy Kalambi) 在最近接受 AMFG 采访时表示：“我们为自己设定了简化用户体验的目标，使其变得简单和安全，从而允许任何用户使用工业 3D 打印。”

“我们相信，通过这种方法，3D 打印可以成为组织内许多不同利益相关者使用的工具。”

从 RIZE One 3D 打印机开始，该公司开发了一种独特的 3D 打印工艺，称为增强沉积。该工艺结合了 FFF 技术和材料喷射的原理，用文本或图形标记 3D 打印部件。最近，制造商发布了其全彩 XRIZE 3D 打印机。

为了简化 3D 打印过程，RIZE 的 3D 打印机在零件和自动生成的支撑结构之间喷射一种特殊的脱模墨水。这使用户能够在打印完成后快速剥离支撑材料。

这些机器还使用无排放材料，使该技术在办公室使用时完全安全。

通过专注于安全性和易用性，RIZE 使其技术对希望简化和加快原型制作过程的产品开发公司特别有吸引力。

例如，波士顿工程公司将 RIZE 的机器添加到其 3D 打印功能中，但波士顿工程团队并没有将 3D 打印机放置在他们专门配备的 3D 打印实验室中，而是在办公室进行操作。与在实验室制造原型需要 2 到 3 天的交货时间相比，这使团队可以在一天内打印原型。

将工程级材料带入桌面 3D 打印

随着工业市场桌面 3D 打印机背后的技术不断发展，合适的材料范围也在不断发展。除了标准的 PLA 和 ABS，工业桌面 3D 打印机现在能够支持工程级材料。

这为以前只能用于大型工业机器的高性能材料打开了大门。这些高性能材料可用于广泛的应用，从功能原型到低成本工具和备件。

Markforged：复合聚合物 3D 打印

该领域的关键进展之一是复合聚合物3D打印技术的引入。

聚合物复合材料通常是由两种成分制成的材料，一种是芯材，另一种是增强材料，例如纤维。用纤维增强的聚合物，如玻璃、碳或芳纶，可制造出强度、刚度和耐用性更高的部件。

据报道，Markforged 是第一家将连续碳纤维增强 3D 打印技术带到桌面的公司。该公司于 2014 年推出了其第一台复合材料 3D 打印机 Mark One，该打印机能够 3D 打印用连续碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维增强的尼龙部件。

此后，Markforged 推出了多项升级产品，包括 Mark Two 和 Onyx 系列，以及 X3、X5 和 X7 工业 3D 打印机。所有系统均基于该公司的连续长丝制造 (CFF) 技术。

CFF 是一种基于挤出的工艺，其中一个喷嘴沉积连续的碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维束，而第二个喷嘴则铺设基材（如尼龙）。

CFF 技术的引入是 3D 打印的一个转折点，因为它解锁了传统桌面挤出 3D 打印机所不具备的功能。使用由 Markforged 技术支持的复合材料，制造商能够制造出比 ABS 强 8 倍、比铝强 20% 的复合部件。

Siemens Gas &Power 是使用 Markforged 复合 3D 打印机生产定制工具的公司的一个例子。在最近的外壳工具案例中，该公司使用 Markforged 的​​专有复合玛瑙材料 3D 打印了定制圆锯外壳。结果是交付时间从三周减少到几天，并且仅使用一种工具就可以节省超过 8,000 美元。

通过开发碳纤维打印的新方法，Markforged 显着扩展了桌面 3D 打印的功能。据报道，该公司在 2018 年出货了 2,500 台打印机，证明工业桌面 3D 打印正在帮助弥合制造业中存在许多差距。

从聚合物转向金属

聚合物材料历来是关键的桌面 3D 打印材料。但随着 2017 年至 2018 年间引入办公室友好型金属系统，这种现状被打破了。

Markforged 和 Desktop Metal 是两家帮助使桌面金属 3D 打印成为可能的公司。

Markforged 的​​ Metal X 和 Desktop Metal 的 Studio System 都是基于挤压的 3D 打印机，它们使用塑料封装的金属粉末来创建绿色零件，然后在熔炉中烧结。与传统上更昂贵的金属 3D 打印机相比，这种方法使其成为更实惠的选择。这主要是由于更低的运营成本，以及更便宜的金属注射成型材料。

Metal X 和 Studio System 的价格均不到 200,000 美元，通过使该过程更便宜、更适合办公且更易于管理，激发了桌面金属 3D 打印的新可能性。

例如，工具制造公司 Built-Rite 现在能够通过使用 Desktop Metal 的内部工作室系统来实现 3D 打印的好处。借助 Studio 系统，Built-Rite 可以使用比使用第三方服务供应商便宜 90% 和快 30% 的流程制造快速转动的模具装配组件。

该应用程序不仅展示了该技术在模具生产中的适用性，还表明金属桌面 3D 打印机有可能降低以前无法负担金属 3D 打印技术投资的企业的进入壁垒。

管理桌面 3D 打印车队

台式 AM 机器相对便宜，而且正如我们所见，它们目前的能力超出了生产制造商的玩具。这就是为什么当公司寻求投资 3D 打印时，桌面 3D 打印机通常是首选，无论是用于内部 RP 实验室还是 3D 打印服务业务。

虽然处理一台桌面 3D 打印机通常不会带来任何挑战，但当企业投资购买第二台、第三台 3D 打印机甚至更多时，它很快就会发现工作流程比最初看起来更复杂。

增加对 3D 打印机的投资是增长的积极迹象，但这种增长也会带来一系列全新的挑战。管理包含 3D 打印请求的源源不断的电子邮件、分析和修复 3D 文件、计算打印成本、安排作业——您的团队很有可能手动执行这些任务，从而限制了您部门或企业的生产力。

虽然这些流程对于成功使用 3D 打印机至关重要，但可以而且应该对其进行改进以确保更高的效率。

一种方法是通过自动化软件。有一些解决方案可以简化 3D 打印的管理，例如提供基于 Web 的请求提交门户，由即时定价和报价功能提供支持。自动化软件包（如 AMFG）还可以包含自动文件转换和修复工具，以简化打印前的文件准备工作。

好的 3D 打印自动化软件还能够与 3D 打印机集成，以提供有关正在进行、已完成或失败的打印作业的实时机器状态更新。

桌面 3D 打印的下一步是什么？

桌面 3D 打印在过去十年取得了巨大进步：技术在不断改进，可用工业级材料的范围比以往任何时候都更广泛。随着行业将重点转移到专业的工业应用上，桌面 3D 打印机制造商也是如此。

这使得企业投资该技术的成本更低，降低了采用障碍并跨越了可负担性、质量和可靠性的门槛。

桌面 3D 打印的创新步伐没有放缓的迹象。今天，新的工艺和材料正在开发和商业化，使桌面 3D 打印从原型制作到制造。自动化方面的软件进步也使桌面 3D 打印更易于管理，简化了工作流程并为可扩展性奠定了基础。

展望未来，我们将看到桌面 3D 打印提供新的用例并为新的行业领域打开大门。随着台式机不断实现更高水平的性能，它们将成为从办公环境和工程师办公桌到工厂车间的标准工具。