3D打印機的主要技術平臺及優(yōu)缺點

1、3D打印機的主要技術平臺及優(yōu)缺點3D打印技術從狹義上來說主要是指增材成型技術，從成型工藝上看，3D打印技術突破了傳統(tǒng)成型方法，通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機數據模型結合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機械加工就能夠制造出各種形狀復雜的原型，這使得產品的設計生產周期大大縮短，生產成本大幅下降。3D打印，俗稱“三維打印技術”或“快速制造技術”，是對一系列“增材制造”技術的總稱。那么，3D打印技術主要分為哪幾種，優(yōu)缺點是什么呢？以下詳細說明：一、FDM:熔融沉積成型工藝熔融沉積成型工藝(FusedDepositionModel-ing,FDM)是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來的一種3D打印技術。該

2、技術于1988年發(fā)明，隨后Stratasys公司成立并在1992年推出了世界上第一臺基于FDM技術的3D打印機“3D造型者(3DModeler)”，這也標志著FDM技術步入商用階段。國內的清華大學、北京大學、北京殷華公司、中科院廣州電子技術有限公司都是較早引進FDM技術并進行研究的科研單位。FDM工藝無需激光系統(tǒng)的支持，所用的成型材料也相對低廉，總體性價比高，這也是眾多開源桌面3D打印機主要采用的技術方案。FDM成型原理：熔融沉積有時候又被稱為熔絲沉積，它將絲狀的熱熔性材料進行加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來。噴頭可以沿X軸的方向進行移動，工作臺則沿Y軸和Z軸方向移動(當然不同的

3、設備其機械結構的設計也許不一樣)，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預定的增量下降一個厚度，然后重復以上的步驟直到工件完全成型。下面我們一起來看看FDM的詳細技術原理(如圖1)。FDM成型技術的優(yōu)點：（1）成本低。熔融沉積造型技術用液化器代替了激光器，設備費用低；另外原材料的利用效率高且沒有毒氣或化學物質的污染，使得成型成本大大降低。（2）原材料以材料卷得的形式提供，易于粉末材料搬運和儲存以及快速更換;（3）原材料在成型過程中無化學變化，相對金屬粉末，樹脂固化制件成型的變形小。FDM成型技術的缺點：（1）需要配合支撐結構打內腔模型時，支撐面效果欠佳。（2）

4、需要對整個截面進行逐步打印，成型時間較長，成型速度相對SLA慢7%左右。、SLA與DLP:立體光固化成型工藝SLA立體光固化成型工藝又稱立體光刻成型，該工藝最早于1984年提出并獲得美國國家專利，是最早發(fā)展起來的3D打印技術之一。該專利申請兩年后便成立了3DSystems公司,并于1988年發(fā)布了世界上第一臺商用3D打印機SLA-250。SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在計算機的控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型；DLP投影成型技術導引：為了提高光固化成型速度，由之前激光掃描固化提高到固化更快面積更大的投影固

5、化技術；SLA激光光固化成型原理：液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數據在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產生聚合反應而固化形成工件的一個薄層。當一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將黏度較大的樹脂液面刮平然后再進行下一層的激光掃描固化。因為液態(tài)樹脂具有高黏性而導致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平后，所需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經過激光固化后將可以得到

6、較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復直至整個工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個完整的立體模型。當工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的樹脂清理干凈，接著還需要把支撐結構清除掉，最后還需要把工件放到紫外燈下進行二次固化。SLA工藝成型效率高，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，成型工件表面光滑精度也有保證，適合制作結構異常復雜的模型，能夠直接制作面向熔模精密鑄造的中間模。盡管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有較大的限制而不適合制作體積龐大的工件，成型過程中伴隨的物理變化和化學變化可能會導致工件變形，因此成型工件需要有支撐結構。目前SLA工藝所支持的材料還

7、相當有限且價格昂貴，液態(tài)的光敏樹脂具有一定的毒性和氣味，材料需要避光保存以防止提前發(fā)生聚合反應。SLA成型的成品硬度很低而相對脆弱（筆者在一次3D打印體驗活動中看到了SLA成品觸地碎裂的情況）。此外，使用SLA成型的模型還需要進行二次固化，后期處理相對復雜。DLP投影固化成型原理：光源透過聚光鏡，使光源均勻分布，菲涅爾鏡是光源垂直照射在液晶屏上，液晶屏兩面分別有偏振膜，偏振膜是液晶顯示成像的基礎，任何液晶屏自身都有偏振膜，液晶屏的成像顯示就是透明顯示的，圖像就會通過液晶屏照射到光敏樹脂上，托板與底模之間固定高度的樹脂通過投影的光發(fā)生固化成形并附著在托板上，再由托板將固化成形的部分拉起，讓液體再

8、次補充進來，托板在下降，從而托板與底模之間的薄層樹脂再次發(fā)生固化并附著在之前成形的固化樹脂上，周而復始，逐層固化直到完成模型整體成形。1光源2聚焦透鏡3菲涅爾透鏡4偏振膜5液晶屏6偏振膜7儲液槽底模8光固化樹脂9光固化成型托板紫外線光源采用半導體LED光源，或者輔助增加高壓鈉燈來提高光源強度，縮短曝光固化時間。液晶屏上放著的是儲液槽，儲液槽下方是透明薄膜結構，要比較松弛，不要過于繃緊，不利于固化脫模。光固化成型優(yōu)點：（1）表面質量好；（2）整面固化，成型速度快；光固化成型缺點：（1）尺寸的穩(wěn)定性差。成型過程中伴隨著物理和化學變化，導致軟薄部分易產生翹曲變形，因而極大地影響成型件的整體尺寸精度。

9、所以需要設計成型件的支撐結構，否則會引起成型件的變形。（2）可使用的材料種類較小。目前可使用材料主要為感光性液態(tài)樹脂材料，并且因為材料本身特性問題，不能對成型件進行抗力和熱量的測試。（3）液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護，以防止其提前發(fā)生聚合反應，選擇時有局限性。（4）需要二次固化。在很多情況下，經過快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全被激光固化，所以通常需要二次固化。三、SLS:選擇性激光燒結工藝SLS技術起源于1986年，于1988年研制成功了第一臺SLS成形機。隨后，由美國的DTM公司將其商業(yè)化，于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產設備SinterStation2000成形機。

10、在過去的20多年里，SLS技術在各個領域得到廣泛的應用，研究選擇性激光燒結設備工藝的單位有美國的DTM公司、3DSystems公司、德國的EOS公司，在國內也有許多科研單位開展了對SLS工藝的研究，如南京航空航天大學、中北大學、華中科技大學、武漢濱湖機電產業(yè)有限公司、北京隆源自動成型有限公司、湖南華曙高科等；圖所示為SLS的成型原理SLS選擇性激光燒結工藝成型原理：選擇性激光燒結加工的過程先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點，從而進行燒結并于下面已成型的部分實現粘合。當一層截面燒結完后工作臺將下降一個層厚，

11、這時壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結，如此反復操作直接工件完全成型。在成型的過程中，未經燒結的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結構。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷，甚至還可以是金屬。當工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。SLS選擇性激光燒結優(yōu)點：（1）可以采用多種材料。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。（2）過程與零件復雜程度無關

12、，無須支撐結構，且制件的強度高。（3）材料利用率高，為燒結的粉末可重復使用，材料無浪費。SLS選擇性激光燒結缺點：（1）原型結構疏松、多孔，且有內應力，制作易變性；（2）需要預熱和冷卻浪費很長時間；（4）且制成陶瓷、金屬制件的成型表面粗糙多孔，后期較難處理；（5）材料不易存儲，且材料成型過程產生有毒氣體及粉塵，污染環(huán)境。四、PolyJet聚合物噴射工藝PolyJet聚合物噴射技術是以色列Objet公司于2000年初推出的專利技術，PolyJet技術也是當前最為先進的3D打印技術之一，2012年Stratasys和Objet宣布進行合并，交易額為14億美元，合并后的公司名仍為Stratasys此

13、項合作也將Polyjet技術推向了更高更廣的3D打印市場，令3D打印熱進一步升溫，且會加快數字制造商用化的進程；PolyJet聚合物噴射技術成型原理:PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運動，工作原理與噴墨打印機十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進行固化。完成一層的噴射打印和固化后，設備內置的工作臺會極其精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個工件打印制作完成。工件成型的過程中將使用兩種不同類型的光敏樹脂材料，一種是用來

14、生成實際的模型的材料，另一種是類似膠狀的用來作為支撐的樹脂材料。這種支撐材料由過程控制被精確地添加到復雜成型結構模型的所需位置，例如是一些懸空、凹槽、復雜細節(jié)和薄壁等結構。當完成整個打印成型過程后，只需要使用WaterJet水槍就可以十分容易地把這些支撐材料去除，而最后留下的是擁有整潔光滑表面的成型工件。PolyJet聚合物噴射優(yōu)點：（1）質量高：領最薄層厚能達到16微米；可以確保獲得復雜、精確的部件與模型；（2）清潔：適合于辦公室環(huán)境，采用非接觸樹脂載入/卸載，容易清除支持材料；（3）多彩多樣：FullCure材料品種多樣，可適用于不同幾何形狀、機械性能及顏色的部件，所有類型的模型均使用相同

15、的支持材料，因此可快速便捷地變換材料。PolyJet聚合物噴射缺點:(1) Polyjet打印使用費用較高，如果要考慮成本因素，就要斟酌了；(2) 光敏聚合物類材料打印模型適合試驗設計性，而不適合功能性和耐用性成品，如果需要對模型成品的強度和穩(wěn)定性有較高要求，就不太合適；五、3DP三維印刷成型工藝3DP三維印刷成型技術導引：三維印刷工藝(Three-DimensionPrinting,3DP)由美國麻省理工大學的EmanualSachs教授發(fā)明于1993年，3DP的工作原理類似于噴墨打印機，是形式上最為貼合“3D打印”概念的成型技術之一。3DP工藝與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結粘合在一起的，而是通過噴頭噴射膠粘劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的；3DP三維印刷成型工藝成型原理:首先設備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態(tài)膠粘劑(如硅膠)噴射在預先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復上述步驟直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術成型速度非常快，適用于