摘 要：文章在简要概述3D打印技术的历史和特点后，通过分析国内桌面级3D打印机两种主流结构设计形式，对目前国内桌面级3D打印机的设计现状做出评价，探究存在的问题及可参考的解决方案。
关键词：3D打印；桌面3D打印机；设计评价
1 3D打印技术概述
快速成型技术，即3D打印技术，最突出的特点在于无需机械加工或者模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，这极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率、降低了生产成本。
21世纪初期，3D打印技术主要用于企业产品原型的制造，以及大学和研究机构的教学和研究。由于机体庞大，操作和维护复杂，价格昂贵，普通消费者鲜有机会体验。随着技术的发展，以FDM（Fused Deposition Modeling工藝熔融沉积制造）成型技术为基础的3D打印机因其技术开源、结构简单，能够实现较低的售价和较小的机身尺寸，慢慢进入了个人消费者的视野。由于这类打印机占地面积小，可以方便地放置在桌面完成打印工作，因而被称为桌面级3D打印机。近几年来，国内3D打印市场火热，尤其是国产桌面级3D打印机市场正变得日益繁荣，得益于此，3D打印技术正在逐渐走向普通消费者的日常生活。
2 国产桌面级3D打印机的分析与评价
国产3D打印机多以FDM打印方式为主，在这种打印方式的基础上又衍生出了几种不同的结构形式。在国内，三角洲式和矩形盒式是市场上主流的两种结构形式，下面将以这两种结构为主，对其设计进行分析与评价。
2.1 三角洲式
三角洲式3D打印机（如图1）其基本特征是机身上下由两个三角形框架组成，三角形底部的XY轴平面是打印平面，Z轴与机身的三角形垂直中线重合。三角洲式打印机的结构简单，组装和维修都比较容易，加工精度的要求不高，普遍售价在5000元以下，但由于加工精度不高，打印精度和稳定性也不高。值得一提的是，这种结构的打印机具有极大的改装可能性，通过适当的改装可以得到非常大的打印尺寸或具有打印多种材料的能力。由于这种打印机采用开放式结构，导线往往裸露在外，影响美观。现阶段，国产三角洲式3D打印机还停留在工程设计层面，其结构、固件、适配软件往往直接沿用国外3D打印机的设计方案，缺少创新。
2.2 矩形盒式
矩形盒式（如图2）是目前国内3D打印机厂商所采用的主流结构形式，商业化程度较高。这种结构的基本特征是打印平面沿着Z轴垂直移动，打印中模型固定在打印平面上不会沿着XY轴方向移动，因此无需担心模型在打印过程中出现位移而导致打印失败。由于安装精度高，机身稳定，打印过程中出现的拉丝、位移等问题往往可以在一定程度上避免，采用这种结构的3D打印机精度和速度较三角洲式都有提高，电源电线可以很好地隐藏在机体内，产品外观可以做到统一美观。矩形盒式3D打印机结构较为复杂，安装和维修往往比较困难，不仅如此，较高的加工精度要求也提高了成本，因此国产矩形盒式结构的3D打印机价格往往在万元以上。国内厂商在这种结构的3D打印机设计上做了不少努力，在注重更有人情味的外形设计的同时，还提供了多种多样的人性化的功能，如：脱机打印、Wifi无线打印等，让非专业人士很容易的上手进行模型的打印，不少厂家还对打印机地固件和软件进行了重新设计，提供了全中文的操作系统、更加友好的界面设计，方便国内用户使用。
3 面对的问题
从技术角度来讲，国内桌面级3D打印机已经达到了一个相对较高的水平，但国产桌面级3D打印机还面临着一些问题。
首先，桌面级打印机的成型尺寸有限，只能打印玩具和一些较小尺寸的零件；受到精度和材料的限制，打印出的模型难以满足实际使用需要。另一方面，设计公司、学校、工厂等不同客户对3D打印机有着不同的设计诉求，如何满足消费群体的设计诉求是国内厂商亟待解决的问题。更为重要的一个问题是，3D打印数据来自于三维数字模型，没有三维数字模型，3D打印机就无用武之地了。现在主流的三维模型制作软件对普通用户而言有较高的学习成本，因此3D打印机的使用群体受到很大的限制。对于这个问题，国外3D打印行业寻求了两种解决方式，一种以美国创新制造公司Shapeways为例，通过建立线上模型交易平台，用户提出模型需求，由设计师来完成，用户付款下载三维模型后在自己的打印机上进行打印。另一种以谷歌公司的Sketchup为例，研发更加方便易用的建模软件，通过设计更加人性化的建模方式，让用户在最短的时间内制作出自己需要的三维模型。第一种解决方式大大减少了厂商的研发成本，但却增加了用户的成本。第二种解决方式由于成本和技术限制，很少有厂商有能力独立研发自己的建模软件，一款方便易用的建模软件往往需要多个版本的不断研发升级，需要大量的时间和资金的投入。
4 结束语
通过对两种桌面级3D打印机的对比分析可以得出如下结论：（1）三角洲式打印机结构简单、易于改装、价格相对较低。但存在着加工精度低、打印稳定性差的问题，市场上的机型普遍缺少人性化的设计考虑。（2）矩形盒式打印机结构相对复杂、价格较高。但加工精度高、打印稳定性好，商业化程度高，不少厂家开始在3D打印机上尝试更加人性化的设计。（3）国产桌面级3D打印机受限于技术与成本在打印精度、可选材料限制较大，对普通用户而言，实用价值不高；另一方面，由于现阶段建立三维数字模型存在较高的学习成本，因此难以提供给消费者持续、有意义的使用体验。对国外3D打印厂商一味地模仿和功能升级，并不能为国产3D打印机行业带来质变。以用户为中心，为普通消费者提供有价值、可持续的使用体验，才是未来国内3D打印机厂商在众多品牌中脱颖而出的关键。
参考文献
[1]张自强.基于FDM技术3D打印机的设计与研究[D].长春工业大学，2014，04.
[2]范锟.个人级桌面式3D打印机的研究[D].东华大学，2015，05.
[3]Hod Lipson，Melba Kurman.3D打印：从想象到现实[M].中信出版集团，2013.
作者简介：郑鲲（1990-），男，汉族，山西阳泉人，景德镇陶瓷大学硕士研究生，主要从事工业设计方面的研究。
