3D打印機(jī)的主要技術(shù)平臺(tái)及優(yōu)缺點(diǎn)

1、3D打印機(jī)的主要技術(shù)平臺(tái)及優(yōu)缺點(diǎn)3D打印技術(shù)從狹義上來(lái)說(shuō)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(guò)快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型結(jié)合，無(wú)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(duì)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(shuō)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(lái)的一種3D打印技術(shù)。該

2、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(tái)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(guó)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(wú)需激光系統(tǒng)的支持，所用的成型材料也相對(duì)低廉，總體性價(jià)比高，這也是眾多開(kāi)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(shí)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(guò)帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來(lái)。噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動(dòng)，工作臺(tái)則沿Y軸和Z軸方向移動(dòng)(當(dāng)然不同的

3、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(huì)和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺(tái)將按預(yù)定的增量下降一個(gè)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(lái)看看FDM的詳細(xì)技術(shù)原理(如圖1)。FDM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(méi)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(chǔ)存以及快速更換；(3)原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，相對(duì)金屬粉末，樹(shù)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(shí)，支撐面效果欠佳。(2

4、)需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行逐步打印，成型時(shí)間較長(zhǎng)，成型速度相對(duì)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(guó)國(guó)家專利，是最早發(fā)展起來(lái)的3D打印技術(shù)之一。該專利申請(qǐng)兩年后便成立了3DSystems公司,并于1988年發(fā)布了世界上第一臺(tái)商用3D打印機(jī)SLA-250。SLA工藝以光敏樹(shù)脂作為材料，SLA工藝在計(jì)算機(jī)的控制下紫外激光將對(duì)液態(tài)的光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型,能以簡(jiǎn)潔且全自動(dòng)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

5、影固化技術(shù)；SLA激光光固化成型原理:液槽中會(huì)先盛滿液態(tài)的光敏樹(shù)脂，氯-鎘激光器或僦離子激光器發(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(shù)脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化形成工件的一個(gè)薄層。當(dāng)一層樹(shù)脂固化完畢后，工作臺(tái)將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹(shù)脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹(shù)脂，刮板將黏度較大的樹(shù)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(shù)脂具有高黏性而導(dǎo)致流動(dòng)性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會(huì)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(shù)脂將會(huì)均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過(guò)激光固化后將可以

6、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(gè)工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個(gè)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(shù)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(duì)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(guò)程中伴隨的物理變化和化學(xué)變化可能會(huì)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

7、料還相當(dāng)有限且價(jià)格昂貴，液態(tài)的光敏樹(shù)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(duì)脆弱（筆者在一次3D打印體驗(yàn)活動(dòng)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(duì)復(fù)雜。DLP投影固化成型原理：光源透過(guò)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(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(huì)通過(guò)液晶屏照射到光敏樹(shù)脂上，托板與底模之間固定高度的樹(shù)脂通過(guò)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

8、體再次補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，托板在下降，從而托板與底模之間的薄層樹(shù)脂再次發(fā)生固化并附著在之前成形的固化樹(shù)脂上，周而復(fù)始，逐層固化直到完成模型整體成形。原理圖花介如下: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(chǔ)液槽底模8.光固化樹(shù)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(lái)提高光源強(qiáng)度，縮短曝光固化時(shí)間。液晶屏上放著的是儲(chǔ)液槽，儲(chǔ)液槽下方是透明薄膜結(jié)構(gòu)，要比較松弛，不要過(guò)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(guò)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

9、，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(huì)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(shù)脂材料，并且因?yàn)椴牧媳旧硖匦詥?wèn)題，不能對(duì)成型件進(jìn)行抗力和熱量的測(cè)試。(3)液態(tài)樹(shù)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(shí)有局限性。(4)需要二次固化。在很多情況下，經(jīng)過(guò)快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹(shù)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SL%術(shù)起源于1986年，于1988年研制成功了第一臺(tái)SLS成形機(jī)。隨后，由美國(guó)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Sint

10、erStation2000成形機(jī)。在過(guò)去的20多年里，SL%術(shù)在各個(gè)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(guó)的DTM公司、3DSystems公司、德國(guó)的EOS公司，在國(guó)內(nèi)也有許多科研單位開(kāi)展了對(duì)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)有限公司、北京隆源自動(dòng)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(jié)工藝成型原理：選擇性激光燒結(jié)加工的過(guò)程先采用壓輻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

11、面燒結(jié)完后工作臺(tái)將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輻又會(huì)均勻地在上面鋪上一層粉末并開(kāi)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(guò)程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對(duì)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SLA相比相對(duì)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(tái)將上升至原來(lái)的高度，此時(shí)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(shuō)，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

12、料。(2)過(guò)程與零件復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，無(wú)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(wú)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(zhǎng)時(shí)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(chǔ)，且材料成型過(guò)程產(chǎn)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(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

13、的公司名仍為Stratasys。此項(xiàng)合彳也將Polyjet技術(shù)推向了更高更廣的3D打印市場(chǎng)，令3D打印熱進(jìn)一步升溫，且會(huì)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的噴射打印頭沿X軸方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，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(tái)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(duì)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(tái)會(huì)極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)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(gè)工件打印制作完成。工件成型的過(guò)程中將使用兩種

14、不同類型的光敏樹(shù)脂材料，一種是用來(lái)生成實(shí)際的模型的材料，另一種是類似膠狀的用來(lái)作為支撐的樹(shù)脂材料。這種支撐材料由過(guò)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)雜細(xì)節(jié)和薄壁等結(jié)構(gòu)。當(dāng)完成整個(gè)打印成型過(guò)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(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(shù)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

15、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。PolyJet聚合物噴射缺點(diǎn)：(1)Polyjet打印使用費(fèi)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(yàn)設(shè)計(jì)性，而不適合功能性和耐用性成品，如果需要對(duì)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-DimensionPrinting,3DP)由美國(guó)麻省理工大學(xué)的EmanualSachs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(guò)激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過(guò)噴頭噴射膠粘劑將工件的截面“打印”出來(lái)并一層層堆積成型的；3DP三維印刷成型工藝成型原理:制做粉末哦“盤”粘貼升降價(jià)下移反觀循環(huán)imilrti川打印中最后一層打印成件首先設(shè)備會(huì)把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會(huì)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