历史：增材制造 (AM) 也称为 3D 打印，作为一种功能强大的工具可以有效提升许多行业的产品开发与制造速度。对于任何设计用于制造部件的工具来说，可靠性都至关重要，3D 打印也不例外。虽然 3D 打印在过去十年中取得了巨大的飞跃，但许多打印机仍因可靠性差而受到阻碍。在 3D 打印行业 2024 年调查中，增材制造领域的领导者将“机器和工艺可靠性”列为扩展 3D 打印应用的首要障碍。

问题：遗憾的是，迄今为止，还没有任何可靠的量化信息可供客户据以做出购买决定，这就需要依赖品牌和“一分钱一分货”的心态。为了帮助解决该问题，Formlabs 编制了这份报告，总结了一系列对所选的立体光固化 (SLA) 3D 打印机进行的综合性能测试，包括 Form 4、Form 3+ 和两款相对低成本的树脂 3D 打印机。这项测试旨在评估各打印机的打印成功率和可重复性。

内容：为确保数据的质量和完整性，测试由全球领先的独立产品测试机构进行，并在第三方测试实验室的设施内现场进行。Form 4 的制造厂商 Formlabs 确定了测试过程中使用的测试和程序，本白皮书后续章节将对此进行详细说明，其目的是使所有打印机的测试标准化。这种标准操作程序 (SOP) 主要包括使用标准设置打印模型，并保持等效处理，在每个步骤中进行质量检查，以消除用户误差改变结果的风险。

方法：按照标准操作程序，使用每个制造商的 5 台不同出厂条件的打印机打印 3 次共获得 15 个模型，每个打印机型号共打印 225 次，并记录打印的成功或失败。

结果：据测定，Form 4 的打印成功率为 98.7%，与 Form 3+ 的打印成功率相当，而 Form 3+ 打印机经过五年的持续优化，现场性能也得到了提升。基准打印机 A 和 B 的打印成功率分别为 86.2% 和 74.7%，或相当于 13.8% 和 25.3% 的打印失败率（Form 4 为 1.3%）。由此可见，基准打印机的打印失败率是 Form 4 的 10－20 倍，其中基准 B 每四次打印就会失败一次。值得注意的是，这些结果甚至不包括硬件可靠性：基准 B 中的两台打印机到货时已经损坏，必须更换后才能开始测试。这导致仅仅更换硬件就损失了几个工作日，再加上故障排查、清理打印失败和重置打印机以重新尝试打印的工时。

这些结果均在实验室的最佳条件下获得，并且在所有四个测试打印机上都经过验证可以成功打印。值得注意的是，在实验室以外的其他条件下，使用用户生成模型的结果通常会全面降低。例如，在编写本报告时，Form 4 的现场打印成功率（由 Formlabs 测得）为 94%。

3D 打印机可靠性的影响因素有很多。例如，Formlabs 在公开发布每种材料之前，都要花费数周时间验证打印设置，并通过自动诊断和监控，在现场提供持续改进。除此之外，Formlabs 还对每个新打印机型号进行了多轮验证和测试，并在每台打印机出厂前进行了 60 点校准和质量控制检查。硬件工程、材料科学、设置调试、原位监测和严格的质量控制相结合，造就了本文介绍的高可靠性。

Formlabs 计划继续这项工作，为自有打印机设置打印机性能标准，并公布这些标准，以便客户可以获得值得信赖的可靠性信息，包括 Formlabs 及其竞争对手的信息。

选择

为了充分了解不同的可用选项，本次测试选择了四种不同类型的 SLA 或树脂 3D 打印机，所有打印机的功能均基于光聚合。前两个是 Formlabs 现有的打印机类型：发布已久的 Form 3+ 和 2024 年发布的新款 Form 4，前者是 Form 3 的升级版，Form 3 最初于 2019 年发布。此外，还选择了两台基准打印机，以便于比较成型面积相当的低成本打印机。第一台基准打印机的价格约为 450 美元，第二台在美售价约为 650 美元。有关 Formlabs 打印机的定价，请访问网站。在测试时，Form 3+ 打印机价格为 2500 美元，Form 4 打印机价格为 4500 美元。

每台打印机都只使用各自的最新硬件，即 Form 3+ 使用 Form 3 Resin Tank V2.1 和 Build Platform 2（第二代构建平台）。同样，为每台打印机选择的树脂也被确定为由相应品牌生产并为该打印机进行推广的标准灰色树脂，如 Form 3+ 的 Grey Resin V4 和 Form 4 的 Grey Resin V5。

采购

从 Formlabs 的网站上购买 Formlabs 打印机、配件和 30 升每种树脂，并直接运到测试实验室。并未对订单进行特殊处理，也没有对打印机进行任何改装。

基准打印机、硬件和材料均从亚马逊订购；如条件允许，则直接从原始设备制造商的网站订购。测试实验室收到的所有打印机均为全新，直接拆箱。

选择

从各种应用、尺寸和规格中选择了 15 种不同的 3D 模型。部件尺寸从只有 20mm 的纸箱到占满打印机的整个成型体积（包括支撑）不等。大多数模型需要支撑，无法直接在构建板上打印。部件明细如下：

• 工程/制造应用：8 个部件
  • 六个用于汽车、消费品或工业用途的终端部件
  • 一个用于支撑工具的固定装置
  • 一个用于成型的结构
• 生物医学应用：五个部件
  • 一个手术导板
  • 一个扫描的器官模型（主动脉）
  • 一个医疗器械原型
• 牙科模型：两个部件
• Formlabs 打印诊断模型：两个部件

所有模型及其设计者和说明均位于附录中。其中许多部件都是经设计人员许可使用的真实 Formlabs 客户部件，而那些未使用的部件则是作为实际已打印部件的功能等价部件而设计。Formlabs 使用这两种诊断模型来评估树脂和打印机的性能。

切片和设置

为了实现最佳打印成功效果，通过 PreForm 中的自动定向工具对模型进行定向。所有打印机类型（Form 3+ 和 Form 4 以及两种基准打印机类型）都保留了这一定向。

生成支撑结构和最终切片在每台打印机的切片软件中完成。在 Formlabs 打印机中选择 PreForm 软件，在两个基准打印机中使用 Lychee Slicer 软件。使用图中的“自动生成选中对象”工具，Formlabs 生成的支撑结构一直使用默认设置（未修改）。同样，两台基准打印机的所有打印件的支撑结构均使用 Lychee 的自动支撑结构生成，如图所示。在 Lychee 中，除 D8 模型外，所有模型都使用了 Medium（中等）支撑设置。由于 D8 模型的平面较大，更容易发生翘曲，因此使用了 Heavy（密集）支撑设置，以防止分层。

每台打印机均采用制造厂商推荐的设置。在 Formlabs，这些设置已经内置在 PreForm 中，唯一的选择是打印机（Form 3+ 或 Form 4）、材料（Grey Resin V4 或 Grey Resin V5）和层数（100 微米）。基准树脂的设置编辑器更为复杂，但所选材料的所有设置均由打印机各自的制造厂商公布。此外，还有许多社区公布的设置在两台打印机上均经过用户验证，因此基于此选择设置，并选择 100 微米，以保持两台打印机的层数高度一致。完整设置见附录。

所有四台打印机都遵循同一标准操作程序，每种类型之间只需稍作修改。此处所示为快速视觉参考。

每台打印机的构建平台 (BP) 和树脂缸（槽）均锁定在该打印机上，以尽量避免因树脂槽和构建平台之间的差异而产生问题。每周都要对这些配件进行目视检查，查看是否有损坏、穿孔或瑕疵。

对于不自动分配树脂的打印机，每次打印前都要向树脂槽预填充树脂，填充高度略低于建议的最大填充高度，以尽量减少树脂耗尽的风险。由于 Formlabs 的两台打印机都采用了自动分配技术，因此无需进行此操作。对于 Form 3+ 来说，完成初始预填充是为了加快打印速度，但对于 Form 4 而言，这并非必要，因为重新设计的阀门系统提供了比 Form 3+ 更快的填充速度。至此，树脂会根据打印机的需要自动分配到树脂盒中，当树脂盒耗尽时就会自动更换。

在从队列中选择打印并开始打印之前，对所有这些耗材和配件进行检查。然后让打印在不受干扰的情况下运行，除非打印输出错误。记录下错误代码后，操作人员根据屏幕提示重置并继续打印，或确定打印失败并按需停止打印。如果打印失败，则检查树脂槽中是否有残留材料，并在开始下一次打印之前将其清理干净。

打印完成后，立即在打印机上对所有打印件进行拍照，然后根据需要用刮刀从 BP 上移除部件。然后将湿部件放入填充异丙醇 (IPA) 的 Form Wash 中清洗 5 分钟。然后将部件取出，在支撑仍在的情况下拍照。然后移除支撑，将部件放入 IPA 中清洗 10 分钟，以完全清除表面树脂。然后，所有部件都在紫外线下使用 Form Cure 固化，使部件完全固化，消除表面粘性。此时，最后为部件拍摄一组照片。

在后处理方面，由于所有光固化技术都有类似的后处理要求，因此在清洗阶段 (Form Wash) 和固化阶段 (Form Cure) 都使用 Formlabs 设备。为防止过多的交叉污染，每种类型打印机的打印部件均清洗两次：一次是初级清洗，以清理大部分树脂；另一次是更清洁的二级清洗，以清理掉全部残留树脂。*每 100 次清洗后使用新 IPA，以防止 IPA 中的树脂饱和而失去功效。

每次打印后，都要确定打印的成功/失败，如果打印过程中出现明显问题，导致部件无法使用，则标记为失败。例如：

• 打印件未附着在构建平台上：要么第一层从未附着在构建平台上，要么在打印过程中的某一时刻从构建平台上分层，导致构建平台上无打印部件

• 严重分层：部件部分打印或有较大空隙

• 打印未成型部位：通常情况下，这是由于打印的某些部分分层并导致级联失败。

虽然还发现更多的微小瑕疵，但由于打印已顺利完成，因此仍被标记为成功。例如：

• 表面细条纹：部件上出现一系列线条或波纹的表面缺陷

• 有限翘曲：部件翘曲不妨碍打印，但可能导致配合问题

• 穿过打印部件的针孔：打印部件上意外出现孔洞，通常为垂直

• 严重的支撑残留：支撑在部件上留下损伤，可能妨碍部件功能

其余部件可视为完美，但忽略了可能出现的外观问题或尺寸精度问题。

关于打印机可靠性的第一项结果是其是否正常发挥功能，以及是否在整个测试期间继续正常运行。所有 5 台 Form 4 打印机、Form 3+ 打印机和基准 A 打印机在进场时都没有任何问题，均能在 15 分钟内完成设置并开始使用，不需要任何故障排查或校准程序。在整个测试过程中，这一点基本保持不变，Form 4 或基准 A 打印机都没有出现机械问题，Form 3+ 打印机的唯一问题是 5 台打印机中的一台在测试 2.5 周后 X 轴出现吱吱声，但没有导致任何打印问题。基准 A 打印机在打印三周后确实需要预防性更换覆膜层，这会显示在用户界面上，不过此时覆膜层上没有显示任何损坏。

基准 B 打印机出现的问题明显更多，其中一台打印机到货时就已经死机，还有一台打印机在打印三天后出现显示屏故障。这些打印机要求在使用前调平构建平台，其中三台打印机需要更改调平程序，因为打印机已丢失原位，试图将 BP 降到显示屏下方，导致 BP 在开始打印时瘫痪。操作人员通过手动增加原位高度解决了此问题，直到开始打印时马达不再卡住为止。

测试显示，Form 4 和 Form 3+ 的失败率各为 1.3%，而基准 A 的失败率为 13.8%，基准 B 的失败率为 25.3%，表现最差。如需真正放大问题，可以只关注错误率，如下图所示。这些失败率往往直接影响部件成本、失效模式和影响分析 (FMEA) 以及许多其他重要标准。此外，为了消除潜在的异常值，还可以进一步细分到各个模型，以确定是否存在偏差，即导致故障的特定几何形状。

虽然使用个别类型的打印机打印某些几何形状的打印失败率更高，但在不同的打印中，打印失败的发生率相当一致。Form 3+ 和 Form 4 打印大多数几何形状均表现良好，不会出现打印失败。

在过去十年中，3D 打印已成为许多专业人士的必备工具，这意味着对可靠打印机的需求比以往任何时候都要高。本报告旨在通过介绍由公正第三方收集的数据，探讨当前光固化打印机的性能。

这些数据应有助于决定最适合用户特殊需求的打印机类型。对于非高要求应用，低成本打印机可能是正确的选择，但对于要求可靠、精确打印部件且无需人工开销的专业人士来说，Formlabs 打印机性能会更为出色。打印失败不仅会造成树脂和耗材的损失，还会浪费时间、增加劳动力和挫败感。

为确保数据的质量和完整性，测试由全球领先的独立产品测试机构进行。Form 4 和 Form 3+ 的制造厂商 Formlabs 确定了第三方测试实验室在测试过程中使用的测试和程序，目的是使所有打印机的测试标准化。

通过在第三方测试实验室完成测试，Formlabs 能够保持这些结果的有效性、完整性和数据质量，并开始了可靠性测试的标准化进程。以前，可靠性、准确性、速度等在很大程度上取决于各个公司的验证结果，而材料性能遵循既定的方法，通常在第三方实验室进行验证。目前的工作是尝试开始创建这些标准，并继续推动为增材制造行业制定更多的 ASTM/ISO 标准，希望这将使所有打印公司更容易验证其产品声明，同时也为计划使用打印制造生产部件的制造商提供可靠的数据。