3D打印机的主要技术平台与优缺点

3D打印机的主要技术平台及优缺点

3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术，从成型工艺上看，3D打印技术突破了传统成型方法，通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。3D打印，俗称“三维打印技术”或“快速制造技术”，是对一系列“增材制造”技术的总称。

那么，3D打印技术主要分为哪几种，优缺点是什么呢？以下详细说明：

一、FDM：熔融沉积成型工艺

熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Model-ing, FDM）是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。该技术于1988年发明，随后Stratasys公司成立并在1992年推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3DModeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。国内的清华大学、北京大学、北京殷华公司、中科院广州电子技术有限公司都是较早引进FDM技术并进行研究的科研单位。FDM工艺无需激光系统的支持，所用的成型材料也相对低廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面3D打印机主要采用的技术方案。

FDM成型原理：熔融沉积有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿X轴的方向进行移动，工作台则沿Y轴和Z轴方向移动（当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。下面我们一起来看看FDM的详细技术原理（如图1）。

FDM成型技术的优点：

（1）成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低；另外原材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。

（2）原材料以材料卷得的形式提供，易于粉末材料搬运和储存以及快速更换；

（3）原材料在成型过程中无化学变化，相对金属粉末，树脂固化制件成型的变形小。

FDM成型技术的缺点：

（1）需要配合支撑结构打内腔模型时，支撑面效果欠佳。

（2）需要对整个截面进行逐步打印，成型时间较长，成型速度相对SLA 慢7%左右。

二、SLA与DLP：立体光固化成型工艺

SLA立体光固化成型工艺又称立体光刻成型，该工艺最早于1984年提出并获得美国国家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。该专利申请两年后便成立了3D Systems公司，并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。SLA工艺以光敏树脂作为材料，在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型；

DLP 投影成型技术导引:为了提高光固化成型速度，由之前激光扫描固化提高到固化更快面积更大的投影固化技术；

SLA激光光固化成型原理：

液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化形成工件的一个薄层。

当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。因为液态树脂具有高黏性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后，所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。

SLA工艺成型效率高，系统运行相对稳定，成型工件表面光滑精度也有保证，适合制作结构异常复杂的模型，能够直接制作面向熔模精密铸造的中间模。尽管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有较大的限制而不适合制作体积庞大的工件，成型过程中伴随的物理变化和化学变化可能会导致工件变形，因此成型工件需要有支撑结构。目前SLA工艺所支持的材料还相当有限且价格昂贵，液态的光敏树脂具有一定的毒性和气味，材料需要避光保存以防止提前发生聚合反应。SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱（笔者在一次3D打印体验活动中看到了SLA成品触地碎裂的情况）。此外，使用SLA成型的模型还需要进行二次固化，后期处理相对复杂。

DLP投影固化成型原理:

光源透过聚光镜，使光源均匀分布，菲涅尔镜是光源垂直照射在液晶屏上，液晶屏两面分别有偏振膜，偏振膜是液晶显示成像的基础，任何液晶屏自身都有偏振膜，液晶屏的成像显示就是透明显示的，图像就会通过液晶屏照射到光敏树脂上，托板与底模之间固定高度的树脂通过投影的光发生固化成形并附着在托板上，再由托板将固化成形的部分拉起，让液体再次补充进来，托板在下降，从而托板与底模之间的薄层树脂再次发生固化并附着在之前成形的固化树脂上，周而复始，逐层固化直到完成模型整体成形。

1.光源

2.聚焦透镜

3.菲涅尔透镜

4.偏振膜

5.液晶屏

6.偏振膜

7.储液槽底模

8.光固化树脂

9.光固化成型托板

紫外线光源采用半导体LED光源，或者辅助增加高压钠灯来提高光源强度，缩短曝光固化时间。液晶屏上放着的是储液槽，储液槽下方是透明薄膜结构，要比较松弛，不要过于绷紧，不利于固化脱模。

光固化成型优点：

（1）表面质量好；

（2）整面固化，成型速度快；

光固化成型缺点：

（1）尺寸的稳定性差。成型过程中伴随着物理和化学变化，导致软薄部分易产生翘曲变形，因而极大地影响成型件的整体尺寸精度。所以需要设计成型件的支撑结构，否则会引起成型件的变形。

（2）可使用的材料种类较小。目前可使用材料主要为感光性液态树脂材料，并且因为材料本身特性问题，不能对成型件进行抗力和热量的测试。

（3）液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前发生聚合反应，选择时有局限性。

（4）需要二次固化。在很多情况下，经过快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，所以通常需要二次固化。

三、SLS：选择性激光烧结工艺

SLS技术起源于1986年，于1988年研制成功了第一台SLS成形机。随后，由美国的DTM 公司将其商业化，于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation 2000成形机。在过去的20多年里，SLS技术在各个领域得到广泛的应用，研究选择性激光烧结设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EOS公司，在国内也有许多科研单位开展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等；

图所示为SLS的成型原理

SLS选择性激光烧结工艺成型原理：

选择性激光烧结加工的过程先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS

成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷，甚至还可以是金属。当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的高度，此时需要把工件取出使用刷子或压缩空气把模型表层的粉末去掉。

SLS选择性激光烧结优点：

（1）可以采用多种材料。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。

（2）过程与零件复杂程度无关，无须支撑结构，且制件的强度高。

（3）材料利用率高，为烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。

SLS选择性激光烧结缺点：

（1）原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性；

（2）需要预热和冷却浪费很长时间；

（4）且制成陶瓷、金属制件的成型表面粗糙多孔，后期较难处理；

（5）材料不易存储，且材料成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境。

四、PolyJet聚合物喷射工艺

PolyJet聚合物喷射技术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术，PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，2012年Stratasys 和Objet宣布进行合并，交易额为14亿美元，合并后的公司名仍为Stratasys。此项合作也将Polyjet技术推向了更高更广的3D打印市场，令3D打印热进一步升温，且会加快数字制造商用化的进程；

PolyJet聚合物喷射技术成型原理：

PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。工件成型的过程中将使用两种不同类型的光敏树脂材料，一种是用来生成实际的模型的材料，另一种是类似胶状的用来作为支撑的树脂材料。这种支撑材料由过程控制被精确地添加到复杂成型结构模型的所需位置，例如是一些悬空、凹槽、复杂细节和薄壁等结构。当完成整个打印成型过程后，只需要使用Water Jet水枪就可以十分容易地把这些支撑材料去除，而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型工件。

PolyJet聚合物喷射优点：

（1）质量高：领最薄层厚能达到16微米; 可以确保获得复杂、精确的部件与模型；

（2）清洁：适合于办公室环境，采用非接触树脂载入/卸载，容易清除支持材料；

（3）多彩多样： FullCure 材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色的部件，所有类型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地变换材料。

PolyJet聚合物喷射缺点：

（1）Polyjet打印使用费用较高，如果要考虑成本因素，就要斟酌了；

（2）光敏聚合物类材料打印模型适合试验设计性，而不适合功能性和耐用性成品，如果需要对模型成品的强度和稳定性有较高要求，就不太合适；

五、3DP 三维印刷成型工艺

3DP三维印刷成型技术导引：三维印刷工艺（Three-Dimension Printing,3DP）由美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明于1993年，3DP的工作原理类似于喷墨打印机，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状的材料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射胶粘剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的；

3DP三维印刷成型工艺成型原理：

首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态胶粘剂（如硅胶）喷射在预先粉层上的指定区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件。

3DP三维印刷成型优点：

（1）成型速度快；

（2）在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力特点之一。

（3）成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔

3DP三维印刷成型缺点：

（1）强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验；

（2）材料问题，在成型时对加工环境要求较高，并容易产生粉尘等污染；