3D打印，在最近又火起來了。就比如，號(hào)稱3D打印界iPhone的拓竹表現(xiàn)就非常火爆。

之所以火起來，一方面，3D打印國產(chǎn)核心部件取得突破，AI技術(shù)快速發(fā)展，整體成本不斷下降，另一方面，政策不斷驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2025年，我國3D打印設(shè)備產(chǎn)量同比增長52.5%。

其中，以消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)發(fā)展最快，國金證券預(yù)計(jì)2026年消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)將迎來“二次加速”。

雖然目前消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)的整體滲透率尚不足1%，卻已展現(xiàn)出高達(dá)28.8%的年復(fù)合增長率，今年行業(yè)預(yù)估全球銷量有望沖擊千萬臺(tái)級(jí)別。受益于商業(yè)航天、消費(fèi)電子產(chǎn)品，工業(yè)3D打印也在爆發(fā)。

隨著3D打印的爆火，芯片行業(yè)也迎來的全新機(jī)遇。一些芯片廠商提前嗅到了商機(jī)，不斷加大布局。今天，EEWorld就來盤點(diǎn)一下，那些布局3D打印的廠商。

3D打印的芯片方案，變了

對(duì)于3D打印機(jī)，芯片方案是關(guān)鍵。在高速打印成為核心的背景下，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提升的同時(shí)對(duì)震動(dòng)抑制、噪音控制與溫升管理提出更高要求。整機(jī)系統(tǒng)對(duì)主控算力、接口資源與實(shí)時(shí)控制能力的需求明顯提高。

在這一背景下，傳統(tǒng)的MCU+多顆專用驅(qū)動(dòng)IC的電機(jī)控制模式逐漸顯現(xiàn)出成本與靈活性方面的局限。多電機(jī)結(jié)構(gòu)意味著多顆驅(qū)動(dòng)芯片疊加，造成BOM成本上升，同時(shí)硬件架構(gòu)固定，難以支持差異化功能擴(kuò)展。因此，行業(yè)開始加速推廣高性能MCU+H橋電路的控制架構(gòu)，通過整合驅(qū)動(dòng)功能，以軟件算法替代部分專用硬件，實(shí)現(xiàn)控制能力的集中與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。

此外，一臺(tái)性能出色的3D打印機(jī)不僅需要強(qiáng)大的主控算力，還需要大容量存儲(chǔ)、精準(zhǔn)的模擬器件和傳感器的支撐。因此，行業(yè)開始從單一芯片轉(zhuǎn)型到全棧解決方案。

這些廠商，布局3D打印

• 兆易創(chuàng)新

兆易創(chuàng)新最近表示，針對(duì)Cortex-M33/M4檔位的產(chǎn)品，公司通過產(chǎn)品迭代實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)，例如GD32F503系列承接GD32F303的市場(chǎng)定位，在保持豐富資源的同時(shí)提升性能；在高性能領(lǐng)域，則通過GD32H77D/779系列作為GD32H737/757系列的升級(jí)，為高速、高精控制提供更充裕的算力空間。這種分層規(guī)劃，使客戶能夠在統(tǒng)一技術(shù)體系下完成產(chǎn)品升級(jí)。

具體方案層面，以GD32H737為代表的Cortex-M7內(nèi)核高性能MCU主頻可達(dá)600MHz，擁有豐富的定時(shí)器資源與多路ADC通道，ADC精度可達(dá)14bit，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)四軸甚至更多路步進(jìn)電機(jī)。依托高性能MCU的算力優(yōu)勢(shì)，兆易創(chuàng)新的方案可實(shí)現(xiàn)更高階的控制算法，提升高低速控制性能：

• 在高速表現(xiàn)上，最高實(shí)測(cè)可達(dá)到1000mm/s速度（2000rpm以上），20000mm/s(2)的加速度；

• 在低速表現(xiàn)上，可實(shí)現(xiàn)低速共振抑制功能，主動(dòng)抑制步進(jìn)電機(jī)諧波干擾轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的低速共振，降低低速運(yùn)行的低頻共振噪音和振紋，提高模型表面打印質(zhì)量。

此外，自研堵轉(zhuǎn)檢測(cè)算法可在歸零階段實(shí)現(xiàn)無物理限位開關(guān)定位，減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；自研的自適應(yīng)降電流算法則在非運(yùn)動(dòng)軸靜止時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電流，有效控制溫升與功耗。多個(gè)算法模塊在同一MCU平臺(tái)內(nèi)協(xié)同運(yùn)行，使系統(tǒng)控制更加集中高效。

實(shí)測(cè)結(jié)果印證了該方案的優(yōu)異表現(xiàn)。在小船模型快速打印測(cè)試中，包含加熱等待，總耗時(shí)15分鐘打印完成；在薄壁模型高速打印測(cè)試中，最大速度600mm/s，最大加速度達(dá)到11000mm/s(2)；在50×50×50mm立方體模型打印測(cè)試中，最大速度500mm/s，最大加速度12000mm/s(2)，打印精度±0.1mm。

除了MCU，兆易創(chuàng)新還提供SPI NOR/NAND Flash、GD30DR30系列H橋、GD30AP系列運(yùn)放，構(gòu)建了全棧解決方案。

• 國民技術(shù)

去年，國民技術(shù)也重點(diǎn)介紹了其產(chǎn)品在3D打印機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。國民技術(shù)表示，　近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛，從工業(yè)制造到醫(yī)療領(lǐng)域，從建筑設(shè)計(jì)到文化創(chuàng)意，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，正深刻改變著傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。而作為3D打印機(jī)的“大腦”，MCU的性能和功能直接影響著打印精度、速度和穩(wěn)定性。國民技術(shù)推出的N32H487系列MCU，憑借其強(qiáng)大的性能、豐富的外設(shè)接口和高可靠性，為3D打印機(jī)提供了極具潛力的解決方案。

根據(jù)國民技術(shù)介紹，N32H487有三大特點(diǎn)，符合3D打印機(jī)需求：

一是高性能，為3D打印注入強(qiáng)勁動(dòng)力。N32H487系列MCU基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻240MHz，集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）指令集，能夠輕松應(yīng)對(duì)3D打印過程中復(fù)雜的路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。其內(nèi)置的512KB Flash存儲(chǔ)器和192KB SRAM，為復(fù)雜的3D打印算法和模型數(shù)據(jù)提供了充足的存儲(chǔ)空間，確保打印過程流暢穩(wěn)定。

二是豐富外設(shè)，構(gòu)建完整3D打印生態(tài)系統(tǒng)。N32H487系列MCU集成了豐富的外設(shè)接口，包括USB、CAN、Ethernet、I2C、SPI、UART等，能夠方便地與各種傳感器、執(zhí)行器和通信模塊進(jìn)行連接，構(gòu)建完整的3D打印生態(tài)系統(tǒng)。

支持多路PWM輸出和編碼器接口，可精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度的三維運(yùn)動(dòng)控制，確保打印模型細(xì)節(jié)清晰、表面光滑；支持USB、Ethernet等高速通信接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的快速數(shù)據(jù)傳輸，提高打印效率；支持觸摸屏、LCD顯示屏等外設(shè)，為用戶提供友好的人機(jī)交互界面，方便操作和監(jiān)控打印過程。

三是高可靠性，保3D打印穩(wěn)定運(yùn)行。3D打印過程通常需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，對(duì)MCU的可靠性提出了極高的要求。N32H487系列MCU采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的測(cè)試流程，具有優(yōu)異的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能夠保障3D打印機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

• 先楫

先楫在高速3D打印機(jī)方面也有專門的定制化方案。其HPM6280高性能CPU，內(nèi)置FOC算法+H橋驅(qū)動(dòng)芯片，以50K電流環(huán)頻率實(shí)現(xiàn)4軸步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)速度>1200RPM。該方案是專業(yè)為3D打印行業(yè)訂制，也適合舞臺(tái)燈光、雕刻機(jī)、飛達(dá)、橫機(jī)等行業(yè)應(yīng)用。

該行業(yè)定制化方案相比3D打印行業(yè)傳統(tǒng)TMC控制方案，具有高速打印、低系統(tǒng)成本、高同步性的優(yōu)勢(shì)。

該方案提供產(chǎn)品級(jí)步進(jìn)算法，基于FOC的步進(jìn)控制，電機(jī)速度和加速度可達(dá)1500rpm和2.4G，電機(jī)算法自主，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)降本增效，開放方案原理圖和電機(jī)庫文件等。此外，先楫擁有完善、及時(shí)的技術(shù)和商務(wù)支持能力。

• ADI

提到3D打印機(jī)，一定少不了ADI的 Trinamic，其產(chǎn)品方案在3D打印機(jī)界是標(biāo)桿的存在，其主要能解決一個(gè)難題——噪音。

通常，為了解決噪音問題，使用開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致存在精度低、速度慢、易失步、噪聲大、功耗高、易振動(dòng)的問題，體現(xiàn)到3D打印機(jī)上就是打印速度較慢，一旦調(diào)高速度就容易發(fā)生電機(jī)失步出現(xiàn)打印毛刺，精度和成功率大幅下降，同時(shí)存在較大的打印振動(dòng)和共振噪聲。此外，3D打印步進(jìn)電機(jī)無反饋時(shí)，電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)、突如其來的負(fù)載或增壓可能會(huì)影響到步進(jìn)電機(jī)的正常工作，從而出現(xiàn)丟步的情況。除了高速及負(fù)載可能造成丟步外，電機(jī)的加減速及系統(tǒng)的慣性，也會(huì)造成丟步的發(fā)生，這些都是3D打印步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的缺陷。

ADI Trinamic推出了一系列解決方案。最初的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TMC2100/2130，因?yàn)槠涑錾撵o音能力在3D打印界享有盛譽(yù)。隨后推出TMC2208為3D打印、相機(jī)、掃描儀和其他自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用提供集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案，該設(shè)備具有集成的微步進(jìn)分度器，完全無噪聲的電流控制模式StealthChop2，旨在驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)。不同于其他的斬波器，StealthChop2在無需配置的提前下，能讓3D打印機(jī)的噪音下降了15dB甚至更多。對(duì)于高性能的3D打印機(jī)，不同電流以及較大電壓的需求，ADI Trinamic也從未停止創(chuàng)新。比如該系列的新款TMC2209，就支持更大的電流，并且也符合更小的工作電壓。

在精度控制上，步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制有著校驗(yàn)步數(shù)、防止丟步、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)、力矩控制等關(guān)鍵技術(shù)，其穩(wěn)定性更好、精度更高，同時(shí)具備高響應(yīng)、高速性，能夠彌補(bǔ)這樣的缺陷。在精度尤為重要的3D打印機(jī)行業(yè)，面對(duì)更高精度及高速的運(yùn)動(dòng)控制要求，ADI Trinamic推出無傳感器及小體積的更高性價(jià)比驅(qū)動(dòng)方案。

• TMC4361+TMC2130/TMC5130（小功率）

• TMC4361+TMC2160/TMC5160（大功率）

值得注意的是，Trinamic優(yōu)勢(shì)還有很多。相比傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要開發(fā)者自行編寫控制算法并將其嵌入MCU中，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)功率級(jí)電路，Trinamic將復(fù)雜的控制算法集成到硬件中，開發(fā)者只需動(dòng)態(tài)更改寄存器設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)。由于無需編寫復(fù)雜的算術(shù)處理，因此可以輕松開發(fā)多個(gè)通道的同步作業(yè)。此外，Trinamic系列還提供內(nèi)置功率級(jí)。

• NXP

大聯(lián)大旗下世平此前推出過基于恩智浦（NXP）LPC5528芯片的3D打印機(jī)方案。方案核心主控采用的LPC5528是NXP旗下的一款主流MCU，其搭載Cortex-M33內(nèi)核，主頻可達(dá)150MHz。在內(nèi)存選項(xiàng)上，該MCU擁有512KB片上Flash和256KB RAM。此外，LPC5528外設(shè)資源豐富，內(nèi)嵌有多個(gè)Timer，多路PWM和多種通信接口，支持16位的ADC，可擴(kuò)展多種功能。

此外，大聯(lián)大世平還發(fā)布了“恩智浦RT1050高性能MCU+華邦存儲(chǔ)芯片+納芯微H橋驅(qū)動(dòng)+圣邦微電源管理三件套+杰華特穩(wěn)壓模塊”的全鏈路國產(chǎn)化Klipper打印平臺(tái)。該方案通過五大本土芯片協(xié)同，實(shí)現(xiàn)主控響應(yīng)速度提升40%且BOM成本壓縮30%，為亞太市場(chǎng)提供可量產(chǎn)的進(jìn)口替代選擇。

MCU板采用NXP RT1050 MCU和華邦W25Q80 Flash。其中，RT1050基于Cortex-M7內(nèi)核，主頻600MHz，配備512KB SRAM；W25Q80 Flash具有較強(qiáng)的讀取性能。

驅(qū)動(dòng)板由2個(gè)納芯微NSD7312 H橋驅(qū)動(dòng)IC和2個(gè)圣邦微SGM8651運(yùn)算放大器組成。納芯微NSD7312是一款直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)置功率N-MOSFET并為功率級(jí)提供供電欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)等多種功能。此外，該產(chǎn)品可提供3.6A峰值電流，支持PWM電流調(diào)制功能，在電機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)能夠有效降低對(duì)輸入電容的需求。圣邦微SGM8651是一款高精度、低噪聲、低失真的電壓反饋型運(yùn)算放大器，具備50MHz的高增益帶寬和66V/μs的快速轉(zhuǎn)換速率，能夠處理高速信號(hào)并快速響應(yīng)變化。

底板采用圣邦微SGM61410同步降壓穩(wěn)壓器、SGM2059 LDO穩(wěn)壓器以及杰華特JWH5141F同步降壓穩(wěn)壓器。其中，SGM61410同步降壓穩(wěn)壓器以在5V至42V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，輸出高達(dá)600mA的電流。它適用于各種高輸入電壓的工業(yè)或汽車應(yīng)用，此外，14μA的低靜態(tài)電流和僅0.6μA的超低關(guān)斷電流使其成為電池供電應(yīng)用的理想選擇。SGM2059是一款低VIN、超低噪聲、高PSRR、低壓差線性穩(wěn)壓器。其工作輸入電壓范圍為1.1V至5.5V，適用于需要低噪聲和快速瞬態(tài)響應(yīng)電源的應(yīng)用。杰華特JWH5141F是高性能同步降壓穩(wěn)壓器，具有多種保護(hù)功能，可確保系統(tǒng)的可靠性。

• ST

ST很早就關(guān)注到了3D打印機(jī)領(lǐng)域，STSPIN8系列的STSPIN820在18年開始就已經(jīng)支持3D打印機(jī)。根據(jù)ST在18年的說法，3D打印性能實(shí)現(xiàn)如此巨大的飛躍關(guān)鍵在于意法半導(dǎo)體的STSPIN820步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC。STSPIN820嵌入了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的高速電機(jī)控制輸入電路和算法，還在尺寸極小的4mm x 4mm QFN封裝內(nèi)集成強(qiáng)大的1.5Arms輸出級(jí)，內(nèi)置全面的保護(hù)功能，包括欠壓鎖定、過流/短路保護(hù)和熱關(guān)斷，保證工業(yè)設(shè)備的耐用性。

此外，ST可提供品類齊全的功率MOSFET、STSPIN單片式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高性能STM32微控制器和微處理器、眾多AC-DC和DC-DC電源管理和供電解決方案、一系列運(yùn)動(dòng)、環(huán)境和測(cè)距傳感器以及連接解決方案，以幫助客戶設(shè)計(jì)高性能的電機(jī)控制解決方案。此外，ST在官網(wǎng)也提供了STEVAL-3DP001V1等參考設(shè)計(jì)。

• TI

除了驅(qū)動(dòng)，TI的DLP在3D打印領(lǐng)域也是不可不提的芯片技術(shù)。DLP技術(shù)在3D打印領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，包括快速原型設(shè)計(jì)、適用于工具和鑄造的模具制造，以及直接進(jìn)行零件制造等，能夠滿足不同行業(yè)的多樣化需求。

DLP技術(shù)在3D打印領(lǐng)域具備諸多突出的特性和優(yōu)勢(shì)：其可編程微鏡能夠一次性曝光整個(gè)圖層，這不僅讓構(gòu)建速度遠(yuǎn)超逐點(diǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高吞吐量，還無需配備打印頭，且打印速度不受設(shè)計(jì)復(fù)雜性或零件數(shù)目的影響；同時(shí)，它可呈現(xiàn)具有緊湊微鏡尺寸的高分辨率圖案，涵蓋7μm、10μm、13μm等規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)特性，達(dá)到高精度標(biāo)準(zhǔn)，且層厚度可輕松調(diào)整；在光學(xué)效率方面，其在363nm至700nm的波長范圍內(nèi)具備高光學(xué)效率，可固化多種光電聚合物及樹脂；加之經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證的可靠性，基于DLP的技術(shù)能夠在擴(kuò)展的占空比下實(shí)現(xiàn)良好的耐用性，并穩(wěn)定輸出一致的結(jié)果。

針對(duì)3D打印的DLP設(shè)計(jì)，DLP芯片組擁有不同的DMD尺寸、像素間距、分辨率及其他規(guī)格，同時(shí)DLP產(chǎn)品還提供專門用于UV曝光的器件。在實(shí)際應(yīng)用中，理想的DLP芯片組選擇，主要取決于所需的物體特征尺寸、構(gòu)成圖案速度以及固化樹脂所需的波長，需結(jié)合具體需求進(jìn)行合理選型。

總結(jié)

據(jù)《中國電子報(bào)》報(bào)道，3D打印正加速“入戶”，從極客玩具蛻變?yōu)榧彝?chuàng)意工具。在技術(shù)層面，AI輔助建模、多色多材料打印與家電化設(shè)計(jì)破解了“上手難、體驗(yàn)差”的瓶頸；在渠道與生態(tài)層面，專業(yè)廠商與跨界品牌雙向賦能，疊加電商平臺(tái)的內(nèi)容教育與線下體驗(yàn)布局，持續(xù)拉低消費(fèi)門檻、破除認(rèn)知偏見。隨著千元級(jí)機(jī)型普及與場(chǎng)景應(yīng)用從“興趣實(shí)驗(yàn)”延伸至親子教具、生活物件乃至小微創(chuàng)業(yè)，消費(fèi)級(jí)3D打印已站在規(guī)模化普及的前夜，有望成為繼智能音箱、掃地機(jī)器人后又一個(gè)走進(jìn)千家萬戶的科技消費(fèi)品。

除此之外，工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)不再只是產(chǎn)品開發(fā)階段的輔助工具，而是逐漸轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)核心。從產(chǎn)品驗(yàn)證、小批量制造到定制化生產(chǎn)，越來越多企業(yè)開始把工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)納入正式生產(chǎn)體系。

在這樣的發(fā)展之下，中國市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)性變化尤為顯著。消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)方面，2024年全球消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)CR4達(dá)71%，前四家均為中國廠家。工業(yè)級(jí)市場(chǎng)方面，美國、中國、德國的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)裝機(jī)量分別以31.0%、11.5%、8.0%的份額居全球前三。

3D打印發(fā)展大勢(shì)已至，芯片也迎來了新的市場(chǎng)機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)

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[2]兆易創(chuàng)新：https://www.gigadevice.com.cn/about/news-and-event/blog/gd32-mcu-solution-performance-upgrade

[3]大聯(lián)大：https://www.eeworld.com.cn/gykz/hisic633505.html

[4]ST：https://www.st.com.cn/zh/applications/industrial-tools-motor-drives-and-equipment/3d-printers.html

[5]ST：https://www.st.com.cn/resource/zh/brochure/brochure_motor_control.pdf

[6]國民技術(shù)：http://www.hisemic.cn/redian/519.html

[7]國民技術(shù)：https://www.nationstech.com/uploads/CN_DS_N32H487SeriesDatasheetV1.0.0.pdf

[8]先楫：https://www.hpmicro.com/industry-applications/industrial/3

[9]駿龍電子：

[10]ADI：

[11]TI：https://www.ti.com.cn/cn/lit/po/zhct314f/zhct314f.pdf

[12]中國電子報(bào)：https://mp.weixin.qq.com/s/cT_M8kllKfk8ivRyLx7wZw

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