3D打印機(jī)的主要技術(shù)平臺及優(yōu)缺點(diǎn)

1、3D 打印機(jī)的主要技術(shù)平臺及優(yōu)缺點(diǎn)3D 打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)，從成型工藝上看，3D 打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法， 通過快速自動成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型結(jié)合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機(jī)械加工就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。 3D 打印，俗稱“三維打印技術(shù)” 或 “快速制造技術(shù)” ，是對一系列 “增材制造”技術(shù)的總稱。那么， 3D 打印技術(shù)主要分為哪幾種，優(yōu)缺點(diǎn)是什么呢？以下詳細(xì)說明：一、 FDM ：熔融沉積成型工藝熔融沉積成型工藝（Fused Deposition Model-ing, FDM ）是繼 LOM 工藝和 S

2、LA 工藝之后發(fā)展起來的一種3D 打印技術(shù)。該技術(shù)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(shù)的 3D 打印機(jī)“ 3D 造型者（ 3DModeler ）”，這也標(biāo)志著 FDM 技術(shù)步入商用階段。國內(nèi)的清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京殷華公司、中科院廣州電子技術(shù)有限公司都是較早引進(jìn)FDM 技術(shù)并進(jìn)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(jī)主要采用的技術(shù)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(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料

3、擠出來。噴頭可以沿X 軸的方向進(jìn)行移動，工作臺則沿 Y 軸和 Z 軸方向移動（當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)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(xì)技術(shù)原理（如圖1）。編輯版 wordFDM 成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（ 1）成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器，設(shè)備費(fèi)用低；另外原材料的利用效率高且沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)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(yùn)和儲存以及快速更換；（ 3）原材料在成型過程中無化學(xué)變化，相對金

4、屬粉末，樹脂固化制件成型的變形小。FDM 成型技術(shù)的缺點(diǎn)：（1）需要配合支撐結(jié)構(gòu)打內(nèi)腔模型時，支撐面效果欠佳。（2）需要對整個截面進(jìn)行逐步打印，成型時間較長，成型速度相對SLA 慢 7%左右。二、 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(shù)之一。 該專利申請兩年后便成立了 3D Systems公司，并于 1988 年發(fā)布了世界上第一臺商用 3D 打印機(jī) SLA-250。 SLA 工藝以光敏樹脂作為材料，在計(jì)算機(jī)的控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型，

5、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(shù)導(dǎo)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化技術(shù)；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(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化形成工件的一個薄層。編輯版 word當(dāng)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(jìn)行下一層的激光掃描固化。因?yàn)橐簯B(tài)樹脂

6、具有高黏性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平， 這樣將會影響到實(shí)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(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，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(fù)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(dāng)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(jié)構(gòu)清除掉，最后還需要把工件放到紫外燈下進(jìn)行二次固化。SLA 工藝成型效率高， 系統(tǒng)運(yùn)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(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型，能夠直接制作面向熔模精密

7、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(xué)變化可能會導(dǎo)致工件變形，因此成型工件需要有支撐結(jié)構(gòu)。目前SLA 工藝所支持的材料還相當(dāng)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(yīng)。 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(yàn)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(jìn)行二次固化，后期處理相對復(fù)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

8、膜是液晶顯示成像的基礎(chǔ)，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，讓液體再次補(bǔ)充進(jìn)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(fù)始，逐層固化直到完成模型整體成形。編輯版 word1.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(dǎo)體LED 光源，或者輔助增加高壓鈉燈來提高光源強(qiáng)度，縮短曝光固化時間。 液晶屏上放著的是儲

9、液槽，儲液槽下方是透明薄膜結(jié)構(gòu)，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(diǎn)：（ 1）表面質(zhì)量好；（ 2）整面固化，成型速度快；光固化成型缺點(diǎn)：（ 1）尺寸的穩(wěn)定性差。 成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致軟薄部分易產(chǎn)生翹曲變形，因而極大地影響成型件的整體尺寸精度。 所以需要設(shè)計(jì)成型件的支撐結(jié)構(gòu)， 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?yàn)椴牧媳旧硖匦詥栴}，不能對成型件進(jìn)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(hù)，以防止其提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時有局限性。（ 4）需要二次固化。在很多情況下，經(jīng)過

10、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(jié)工藝SLS 技術(shù)起源于1986 年，于 1988 年研制成功了第一臺SLS 成形機(jī)。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(chǎn)設(shè)備SinterStation 2000成形機(jī)。在過去的 20 多年里， SLS 技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，研究選擇性激光燒結(jié)設(shè)備工藝的單位有美國的DTM 公司、 3D Systems 公司、德國的 EOS 公司， 在國內(nèi)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(xué)、中北大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢濱湖機(jī)電產(chǎn)業(yè)有限公

11、司、北京隆源自動成型有限公司、湖南華曙高科等；編輯版 word圖所示為SLS 的成型原理SLS 選擇性激光燒結(jié)工藝成型原理：選擇性激光燒結(jié)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(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個層厚，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(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)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(jié)構(gòu)。SLS 工藝使用的材料與S

12、LA 相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細(xì)尼龍、合成尼龍、陶瓷，甚至還可以是金屬。當(dāng)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(jié)優(yōu)點(diǎn)：（ 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(jié)的粉末材料都可以作為 SLS 的成型材料。（ 2）過程與零件復(fù)雜程度無關(guān)，無須支撐結(jié)構(gòu)，且制件的強(qiáng)度高。（ 3）材料利用率高，為燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，材料無浪費(fèi)。SLS 選擇性激光燒結(jié)缺點(diǎn)：（ 1）原型結(jié)構(gòu)疏松、多孔，且有內(nèi)應(yīng)力，制作易變性；（ 2）需要預(yù)熱和冷卻浪費(fèi)很長時間；（ 4）且制成陶瓷、金

13、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(chǎn)生有毒氣體及粉塵，污染環(huán)境。編輯版 word四、 PolyJet 聚合物噴射工藝PolyJet 聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet 公司于 2000 年初推出的專利技術(shù)，PolyJet 技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D 打印技術(shù)之一，2012 年 Stratasys 和 Objet 宣布進(jìn)行合并，交易額為14億美元，合并后的公司名仍為Stratasys。此項(xiàng)合作也將Polyjet 技術(shù)推向了更高更廣的3D 打印市場，令3D 打印熱進(jìn)一步升溫，且會加快數(shù)字制造商用化的進(jìn)程；PolyJet 聚合物噴射技術(shù)成型原理：PolyJet

14、 的噴射打印頭沿X 軸方向來回運(yùn)動，工作原理與噴墨打印機(jī)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(dāng)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(jìn)行固化。完成一層的噴射打印和固化后， 設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一個成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)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，一種是用來生成實(shí)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(fù)雜成型結(jié)構(gòu)模型的所需位置，例如是一些懸空、凹槽、復(fù)雜

15、細(xì)節(jié)和薄壁等結(jié)構(gòu)。當(dāng)完成整個打印成型過程后，只需要使用 Water Jet 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(diǎn)：（ 1）質(zhì)量高：領(lǐng)最薄層厚能達(dá)到16 微米 ; 可以確保獲得復(fù)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(jī)械性能及顏色的部件，所有類型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地變換材料。編輯版 wordPolyJet 聚合物噴射缺點(diǎn)：（ 1）Polyjet 打印使用費(fèi)用較高，

16、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(yàn)設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shù)導(dǎo)引：三維印刷工藝（Three-Dimension Printing,3DP ）由美國麻省理工大學(xué)的 Emanual Sachs教授發(fā)明于 1993 年， 3DP 的工作原理類似于噴墨打印機(jī)， 是形式上最為貼合“ 3D 打印”概念的成型技術(shù)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(jié)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(shè)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(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復(fù)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(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工