第二章不同成型方式的3D打印技術(shù)原理

3D打印不同成型方式的3D打印技術(shù)原理CONTENT目錄1FDM熔融沉積成型技術(shù)2SLA光固化打印技術(shù)3光固化（DLP）技術(shù)4SLM激光選區(qū)熔化PART01FDM熔融沉積成型技術(shù)熔融沉積成型（FusedDepositionModeling,以下簡稱FDM），又叫熔絲沉積成型，是最常見的3D打印工藝之一。FDM主要采用絲狀熱熔性材料作為原材料，通過噴頭加熱至融化臨界值，呈半流體性質(zhì)，再擠噴出來，原材料被噴出后沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上并開始固化，噴頭按照預(yù)定的軌跡運動，通過材料逐層堆積形成最終的成品。熔融沉積成型工藝的原料一般是熱塑性材料，例如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時，例如打印傾斜角度較大的結(jié)構(gòu)或者懸空結(jié)構(gòu)時，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)來給后續(xù)層提供定位和支撐。圖1-2-1展示了FDM的成型工藝及打印過程中的支撐結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型的工藝原理熔融沉積成型工作原理及特點圖1-2-1FDM的工藝原理1）成型材料廣泛。FDM工藝的材料基本上是聚合物，成型材料一般為ABS、PLA（聚乳酸）、石蠟、尼龍等，下圖1-2-2是目前桌面3D打印機最常用的3D打印材料PLA。金屬材料也可以堆積成型，但目前成型的金屬材料精度較低。另外近些年開始有食品級的材料加入到FDM打印行列，如巧克力、糖果、淀粉等等。甚至包括水泥等建筑材料，讓3D打印房屋成為可能。圖1-2-2PLA線材2）成本低。相比于其他使用激光器的工藝方法，F(xiàn)DM工藝的制作費用大大減低，并且熔融沉積成型所用的材料為無毒、無味的熱塑性材料，廢棄的材料還可以回收利用。原材料利用率高且無污染，使成本大大降低。近些年來，隨著FDM專利的過期，采用FDM技術(shù)的桌面3D打印機由于硬件成本低、軟件開源、材料成本低等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸普及開來。3）熔融快速沉積，成型設(shè)備簡單、尺寸小，噪音和污染少，可以實現(xiàn)24小時無人值工作。4）支撐易去除。隨著FDM的工藝不斷發(fā)展，在軟件上，支撐的設(shè)置越來越智能化，打印出來支撐材料越來越易于剝離。材料上，已經(jīng)出現(xiàn)了方便去除的水溶性支撐材料。5）維護(hù)成本低。熔融沉積成型工藝中沒有激光器這個貴重、精密部件，而且噴頭系統(tǒng)構(gòu)造簡單，故易于維護(hù)。6）成品功能性強。工程材料ABS的韌性好，適合于進(jìn)行二次加工，用蠟材料成型的零件模型，可以直接用于熔模鑄造。7）原材料在成型過程中尺寸穩(wěn)定性好，適合于進(jìn)行裝配。8）材料無毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪聲等污染，適合于辦公室環(huán)境使用。9）操作簡單，無須長期操作經(jīng)驗，也無須專人負(fù)責(zé)操作。FDM工藝的工藝特點和其它主流的3D打印成型工藝，如選擇性激光燒結(jié)以及立體光固化成型相比，熔融沉積成型工藝作為非激光成型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：圖1-2-2PLA線材1）由于工作臺及速度的限制，F(xiàn)DM工藝只能成型中小型件。不過近些年來，中大型的FDM打印機正不斷的在市場上涌現(xiàn)，速度也在不斷的突破。下圖1-2-3是LocalMotor使用大型FDM打印機打印出的汽車。

2）由于FDM工藝是由噴頭噴出的具有一定厚度的絲，逐層粘接堆積而成的，因此不可避免地會產(chǎn)生臺階(階梯)效應(yīng)，如下圖1-2-4和圖1-2-5所示，表面有較明顯的條紋，對于一些對表面質(zhì)量要求比較高的模型，F(xiàn)DM技術(shù)難以滿足要求，或者需要打磨等相對比較繁瑣的后處理才能達(dá)到要求。3）需要設(shè)計和制作支撐材料，打印支撐和處理支撐是FDM工藝?yán)@不開的一個問題。支撐去除后，模型的表面處理，也是FDM工藝需要面對的一個問題。雖然水溶性支撐可以解決一部分問題，但是水溶性支撐材料較貴，而且打印水溶性支撐會造成打印時間增長，日常保存也相對復(fù)雜（容易吸水），且目前市面上的大多數(shù)打印機都是單噴頭打印機，難以滿足打印水溶性支撐的要求。4）沿成型軸方向的零件強度比較弱，層與層直接粘合力相對弱。5）成型件的表面有較明顯的條紋，對模型的外觀有一定的影響。6）某些模型需要另外制作支撐結(jié)構(gòu)，增加了成型時間和材料費用。FDM工藝的工藝特點除以上優(yōu)點外，熔融沉積制造工藝也存在以下缺點:圖1-2-3LocalMotor使用大型3D打印機打印出的汽車圖1-2-4理想表面圖1-2-5臺階效應(yīng)一個典型的FDM3D打印過程包括:三維造型、模型的轉(zhuǎn)化、分層處理、實體造型、零件后處理。如圖1-2-6所示熔融沉積成型工藝的原料一般是熱塑性材料，例如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時，例如打印傾斜角度較大的結(jié)構(gòu)或者懸空結(jié)構(gòu)時，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)來給后續(xù)層提供定位和支撐。圖1-2-1展示了FDM的成型工藝及打印過程中的支撐結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型的工藝原理熔融沉積成型的工藝過程圖1-2-6FDM的過程三維造型模型的轉(zhuǎn)化分層處理在熔融沉積成型加工前需要對STL三維模型進(jìn)行疊層方向的離散化處理，稱為分層處理，也稱為分層切片。分層切片就是用一系列平行于XOY坐標(biāo)面的平面截取STL實體數(shù)據(jù)模型進(jìn)而獲取各層幾何信息，每個層片包含的信息組合在一起，構(gòu)成整個實體模型的數(shù)據(jù)信息，如圖1-2-10所示。通過對實體進(jìn)行分層處理，便可將三維加工問題轉(zhuǎn)化為一系列的二維加工問題，使加工工藝簡化。為了進(jìn)行下一步的模型切片處理，需要將建模模型保存為STL格式的文件。市面上多數(shù)快速成型系統(tǒng)均使用標(biāo)準(zhǔn)的STL(StandardTriangleLanguage,標(biāo)準(zhǔn)三角面語言)數(shù)據(jù)模型來定義成型的零件，它是一種用許多空間小三角形面片來逼近三維實體表面的數(shù)據(jù)模型。常見的三維建模軟件均具備此轉(zhuǎn)化的功能，圖1-2-9可以看到，一個正方體，可以通過幾個三角面的組合構(gòu)成；而任意的形狀，都可以通過近似表達(dá)，由三角面片組成的3D模型。而三角面數(shù)的多少，決定了模型的分辨率。依據(jù)模型的結(jié)構(gòu)尺寸或者外觀需求，需要使用三維設(shè)計軟件對模型進(jìn)行三維造型。三維造型是3D打印最重要的的數(shù)據(jù)獲取方式之一，另外一個獲取3D數(shù)據(jù)的方式是3D掃描。常用的三維CAD軟件有:Pro/EngineeringWildfire,UGNX,CATIA等，常用的藝術(shù)方面的建模軟件有3DMax、Maya、Rhino、Zbrush等，下圖1-2-7和1-2-8分別是CAD模型及藝術(shù)模型。熔融沉積成型的工藝過程一個典型的FDM3D打印過程包括:三維造型、模型的轉(zhuǎn)化、分層處理、實體造型、零件后處理。如圖1-2-6所示圖1-2-7使用CAD軟件創(chuàng)建的齒輪模型圖1-2-8藝術(shù)軟件雕刻的犀牛模型圖1-2-9STL模型圖1-2-10模型切片處理零件的實體造型加工包括兩個方面的內(nèi)容:一是支撐的施加，二是零件實體的加工，如圖1-2-11所示。（1）支撐的施加因為熔融沉積快速成型的技術(shù)特征，須對零件的三維模型設(shè)計支撐，否則，在FDM加工的過程中，當(dāng)上面一層的截面尺寸比下面一層的截面尺寸大時，上面一層截面的多余材料將可能呈現(xiàn)懸空狀態(tài)，從而使此一層的材料發(fā)生坍塌現(xiàn)象，影響FDM產(chǎn)品的精度，嚴(yán)重的會使零件原型加工失敗?，F(xiàn)在絕大多數(shù)切片軟件已經(jīng)可以做到自動加支撐，少數(shù)復(fù)雜的模型，也可通過手動添加支撐，提高打印的成功率；（2）零件實體的加工支撐施加后就可以進(jìn)行零件實體的加工，從底向上，按照切片得到的路徑，在計算機的控制之下，逐層涂覆從而形成產(chǎn)品零件的三維實體。實體造型零件后處理FDM工藝的后處理指的是對加工完的零件進(jìn)行的后期處理。常見的后處理工序包括：去除支撐，去掉零件的支撐結(jié)構(gòu)的材料。打磨、拋光，對其余零件表面做拋光處理，使零件精度、表面光潔度達(dá)到指定的要求。噴灰，對零件表面噴一層底色。其他處理,如上色，鉆孔，攻絲，包埋，拼接等等。圖1-2-11模型及其支撐的施加STL文件存儲材料性能的影像噴頭溫度和成型室溫度的影響在熔融沉積制模工藝過程中，噴頭溫度決定了材料的黏結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。溫度太低則材料黏度加大，擠絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，極端情況下還會造成噴嘴堵塞，而且材料層間黏結(jié)強度降低還會引起層間剝離；溫度太高則材料偏于液態(tài)，擠絲速度變快，無法形成可精確控制的絲，制作時會出現(xiàn)前一層材料還未冷卻，成型的后一層就加壓于其上，從而使前一層材料坍塌和破壞。成型室的溫度也會影響到成型件的熱應(yīng)力大小，溫度過高，雖然有助于減少熱應(yīng)力，但零件表面易起皺；溫度太低，零件熱應(yīng)力增大，容易使零件翹曲。此外，擠出冷卻速度過快，在前一層截面完全冷卻凝固后才開始堆積下一層，這會導(dǎo)致層間黏結(jié)不牢固，會有開裂現(xiàn)象。材料性能的變化直接影響成型過程和成型件的精度，材料在整個工藝過程中要經(jīng)過固體——熔體——固體的兩次相變。在凝固過程中，熔態(tài)的ABS分子在填充方向上被拉長，在冷卻過程中產(chǎn)生收縮，而取向作用會使堆積絲在填充方向的收縮率大于該方向垂直的方向的收縮率，這個收縮會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這個內(nèi)應(yīng)力容易導(dǎo)致制作件的翹曲變形及脫層現(xiàn)象。由于STL模型只是對CAD模型的幾何近似，在它與三維CAD數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換時存在一定的誤差，一般容易造成裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面等錯誤。如前文所述，STL文件本身是有分辨率的，構(gòu)成的三角面越多，分辨率會越高，模型越精細(xì)，但帶來的問題是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)處理速度比較慢。熔融沉積成型技術(shù)性能分析（一）模型制作的影響因素在熔融沉積成型工藝過程中影響成型件精度的因素有很多，然而，實踐證明，盡管各種因素對成型件精度和表面粗糙度都有或多或少的影響，但起主要作用的只有少數(shù)幾個，下面闡述這幾個主要因素單獨或相互作用時對成型件精度的影響。擠出速度是指噴頭內(nèi)熔融態(tài)的絲從噴嘴中擠出的速度，單位時間內(nèi)擠出絲的體積與擠出速度成正比。在與填充速度合理匹配的范圍內(nèi)，隨著擠出速度的增大，擠出絲截面寬度逐步增大，當(dāng)擠出速度逐步增大時，擠出的絲就會黏附于噴嘴外圓錐面，就會導(dǎo)致噴嘴無法正常工作。填充速度是指掃描截面輪廓速度或填充網(wǎng)格的速度。填充速度比擠出速度快，則材料填充不足，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；相反填充速度比擠出速度慢，則會使熔絲堆積在噴頭上，使成型材料分布不均勻，表面有疙瘩，影響成型件質(zhì)量。擠出和填充速度的影響分層厚度的影響分層厚度是指在成型過程中每層切片截面的厚度，由此會造成模型成型后的表面出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，直接影響模型的尺寸誤差和表面粗糙度。對于FDM技術(shù)而言，分層厚度的存在會導(dǎo)致不可避免的出現(xiàn)臺階現(xiàn)象。分層厚度越小，臺階高度越小，但分層處理和成型時間也會相應(yīng)延長，降低加工效率。成型方向的影響模型成型方向?qū)δＰ偷馁|(zhì)量、材料的消耗和制作時間等方面都有很大的影響。如果一個模型擺放不當(dāng)，造成它的斜面和外伸部分過多，就必然會出現(xiàn)過多的支撐結(jié)構(gòu)，這樣既浪費了成型時間和耗材，又會給后處理帶來很大的麻煩，增加工作強度。STL格式的處理材料性能的處理噴頭溫度和成型室溫度的處理噴頭的溫度對于不同的FDM技術(shù)的材料設(shè)置是不同的，由于材料屬于廠商專供，所以設(shè)備在出廠時，它的噴頭溫度就設(shè)置好，當(dāng)溫度到達(dá)后，傳感器發(fā)出指令，噴頭的溫度就穩(wěn)定下來了。可以在軟件中對成型室的溫度進(jìn)行微調(diào)，通常制作比較大的模型時，會將成型室的溫度設(shè)置高些，減少模型的熱應(yīng)力，在成型過程中避免翹曲和開裂現(xiàn)象；制作比較小的模型時，可以將成型室的溫度設(shè)置低些，避免表面堆絲，可以提高模型的表面粗糙度。對于尺寸變形，可以在設(shè)計開始階段通過在填充反向和堆積方向上的尺寸計算，來對CAD模型的尺寸進(jìn)行預(yù)補償。STL文件的數(shù)據(jù)格式是采用小三角形面片的形式來逼近三維實體模型的外表面，因此小三角形數(shù)量越多，面片越小，成型精度越高，文件越大。要保證STL文件的分辨率不低于DM設(shè)備所能達(dá)到的最高精度。曲面3D模型（即常見的工程類CAD文件）轉(zhuǎn)化為STL的一個重要參數(shù)是弦高，弦高是指三角形的輪廓邊與曲面之間的徑向距離，弦高的大小決定著小三角形的數(shù)量，也就直接影響成型件的表面質(zhì)量。熔融沉積成型技術(shù)性能分析（二）解決的方法由以上分析可知，在FDM工藝過程中，主要有6個影響模型精度的因素，下面提出了一些解決方法來提高模型的精度。擠出速度、填充速度、噴絲寬度這幾項一般都是在成型軟件中設(shè)定好的，多為出廠設(shè)置，一般無法進(jìn)行修改。但在近年一些開源軟件內(nèi)，這些設(shè)置也開放給用戶，可以做一定的調(diào)整。擠出速度、填充速度和噴嘴寬度的處理分層厚度的處理分層厚度越小，模型表面質(zhì)量越好，但制作時間延長。所以分層的厚度應(yīng)該根據(jù)制作模型的質(zhì)量要求來確定，在滿足模型質(zhì)量的前提下，可以將分層厚度適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，制作好的模型表面可以通過一些后處理工序，如打磨、拋光來完成。模型擺放的處理通常模型在XY方向的尺寸精度比Z向更容易控制和保證，所以在選擇模型擺放時應(yīng)將精度要求高的外輪廓表面盡可能放置在XY平面內(nèi)。另外，STL模型擺放時應(yīng)盡可能減少支撐的數(shù)量，這樣有利于減少成型時間，節(jié)省材料，減輕后處理的工作量，提高模型的表面質(zhì)量。對于一些沒有強度，剛性等工程特性要求的模型，通過這種方法不但可以制作形態(tài)較為復(fù)雜的模型，還可以制作超過成型機最大成型尺寸的模型，從而打破成型機本身成型空間的限制。PART02SLA光固化打印技術(shù)一、光固化快速成型的工作原理及特點美國3DSystem公司研發(fā)的SLA(StereoLithographyApparatus)打印技術(shù)是最早商業(yè)化且占有率最高的快速成型技術(shù)。光固化快速成型工藝，基于離散堆積制造原理，以液態(tài)光敏樹脂為原料，這種液態(tài)光敏樹脂在接受到一定波長和強度的紫外光照射后，能夠迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量急劇增加，材料由液態(tài)變成固態(tài)。其成型原理如圖1-2-12所示。首先將液體光敏樹脂材料充滿儲液槽，然后將托板擱置在樹脂液面下的特定高度位置，接著計算機會控制紫外光源按照物件切片的截面信息射入儲液槽，光源掃描的液態(tài)樹脂會吸收其他部位不能得到的能量，產(chǎn)生聚合反應(yīng)，進(jìn)而光敏材料由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，制件會形成特定的固化截面。但是儲液槽中還有沒被紫外光線照射的液體，由于能量不足沒有產(chǎn)生反應(yīng)，這樣當(dāng)升降架下降一定的高度，這個高度取決于設(shè)定的固態(tài)截面的厚度，率先固化的材料周圍就會被液態(tài)狀態(tài)下的樹脂材料包圍，之后刮板會將受紫外線影響的液態(tài)樹脂刮平，這樣周而復(fù)始進(jìn)行新的固化處理，就會出現(xiàn)試驗演示中的固態(tài)表面逐層堆積，打印結(jié)束后即可得到特定的設(shè)計原型。最后還需要對樹脂材料模型進(jìn)行后期處理，后期處理包括去除支撐，酒精清洗，二次光固化，打磨上色等步驟，才能得到設(shè)計的最終的原型實體。（一）光固化快速成型的工作原理圖1-2-12光固化快速成型工作原理一、光固化快速成型的工作原理及特點（二）光固化快速成型工藝特點光固化快速成型工藝具有的優(yōu)點：1）可成型任意形狀，而且能夠一次成型。這樣的工藝能實現(xiàn)原有成型工藝很難處理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的制件；2）出于降低人工成本的角度，通過計算機來設(shè)計所需的三維模型，這樣可以減少對工人技術(shù)水平的要求，并且由于不需要人工監(jiān)控，可以有效的降低成本；3）由于是非接觸加工，不需要任何刀具交換，因此成型制件的表面粗糙度和精度都很高；4）整個成型過程沒有切削、不存在振動與噪音，可實現(xiàn)在辦公室環(huán)境內(nèi)生產(chǎn)；5）成型加工周期短、成本低，傳統(tǒng)工藝幾個月的工作量，用此工藝技術(shù)幾小時便可完成，大大提高了市場競爭力。光固化快速成型存在的問題：1）在產(chǎn)品制造過程中可能會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這主要是因為在加工制造過程中會出現(xiàn)物化反應(yīng)。同時也需要注意的是，特殊懸臂零件需要特定的支撐，若想不影響制件的最終質(zhì)量，需要制定相應(yīng)的支撐工藝；2）產(chǎn)品造價較高，這主要是因為較高的維護(hù)運行成本，這需要通過研究來實現(xiàn)對成本的有效控制；3）成型材料種類單一，性能不佳。材料一般較脆、易斷裂，固化后的性能還不如一般的工業(yè)塑料，因此不宜進(jìn)行切削加工，也無法抵擋抗力和熱量。4）需要進(jìn)行二次固化。采用光固化快速成型加工的原型，得到的光敏樹脂材料模型還需要繼續(xù)二次固化，二次固化主要是對沒有完全固化的樹脂材料進(jìn)行二次固化，否則后序的打磨中會留下砂紙紋，會使偏薄的地方變形，或者被酒精浸入后的模型表面會起皮。三維實體造型作為加工過程的數(shù)據(jù)依托，三維實體設(shè)計是重中之重，所以需要確認(rèn)三維設(shè)計的正確性，只有確定設(shè)計是合理的，才可以進(jìn)行加工制造。現(xiàn)今比較流行的三維設(shè)計軟件主要有Solidwork、AutoCAD等。數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型就是對CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行近似處理。由于現(xiàn)在的大多產(chǎn)品的構(gòu)造十分復(fù)雜，所以在成型前對其進(jìn)行近似處理是十分必要的，而STL文件轉(zhuǎn)換就是做近似處理方法時，最常用的一種轉(zhuǎn)換格式。離散三角化處理的主要軟件是CAD，在經(jīng)過其處理之后得到的數(shù)據(jù)模型。使用許多小三角形來逼近CAD三維模型的自由表面，是STL數(shù)據(jù)處理的主線，而近似逼近的精度直接取決于小三角形數(shù)量的多少。也就是說精度越高，STL文件呈現(xiàn)的模型越精確，用到的小三角形的數(shù)目就越大。所以，高精度的數(shù)字模型對成型制件的精度有重要影響，值得研究。分層切片處理光固化快速成型工藝本身是基于分層制造原理進(jìn)行成型加工的，這也是快速成型技術(shù)可以將CAD三維數(shù)據(jù)模型直接生產(chǎn)為原型實體的原因，所以，成型加工前，必須對三維模型進(jìn)行分層切片。需要注意的是在進(jìn)行切片處理之前，要選用STL文件格式。另外確定分層方向也是極其重要的，要使STL模型截面與分層定向的平行面達(dá)到垂直狀態(tài)。對產(chǎn)品的精度要求越高，所需要的平行面就越多。平行面的增多，會使分層的層數(shù)同時增多，這樣得到的成型制件的精度也會隨之增大。同時需要注意的是盡管層數(shù)的增大，會提高制件的性能，但是產(chǎn)品的制作周期就會相應(yīng)的增加，這樣即會增加相應(yīng)的成本，也會降低生產(chǎn)效率，增加廢品的產(chǎn)出率。所以實踐中要在試驗的基礎(chǔ)上，選擇相對合理的分層層數(shù)，來達(dá)到最合理的工藝流程。設(shè)計支撐在光固化快速成型加工過程中，對于懸臂或是孤立的輪廓等結(jié)構(gòu)模型，常常會出現(xiàn)翹曲變形等現(xiàn)象。這是因為它們在初生于液態(tài)樹脂上時，不受約束力，所以，切片時模型需要添加支撐。而在設(shè)計支撐時，要充分考慮支撐是否容易去除，如若支撐很難去除，則會對成型制件的表面質(zhì)量造成影響。目前，常用的支撐類型主要有：點支撐、線支撐、網(wǎng)支撐和十字支撐等等。二、光固化快速成型工藝過程（一）前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段在快速成型工藝中，數(shù)據(jù)處理是成型加工的第一步，它的主要作用是從得的三維模型中，獲取快速成型機所需要的控制信息，也就是將模型進(jìn)行分層處理，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度直接反映成型制件的精度。它主要由以下部分組成：光固化快速加工過程主要包括：前期的三維建模、切片等準(zhǔn)備、中期的光固化成型以及最后的后處理等過程（三）后處理階段光固化成型完成后，還需要對成型制件進(jìn)行輔助處理工藝，即后期處理。目的是為了獲得一個表面質(zhì)量與機械性能更優(yōu)的零件。此處理階段主要步驟為：1）將成型件取下，去除支撐；2）用酒精清洗模型；3）對固化不完全的零件進(jìn)行二次固化；4）固化完成后進(jìn)行拋光、打磨和表面處理等工作。特定的成型機是進(jìn)行光固化試驗的基礎(chǔ)設(shè)備。在成型前，需要先將成型機啟動，并將光敏樹脂加熱到符合成型的溫度，一般當(dāng)溫度達(dá)到38攝氏度之后，就打開紫外光激光器。待設(shè)備運行穩(wěn)定后，打開工控機，輸入特定的數(shù)據(jù)信息，這個信息主要是根據(jù)所需要的樹脂模型的需求所設(shè)置的。當(dāng)進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)處理的時候，還需要用到RPData軟件，通過RPData軟件來制定光化固化成型的工藝參數(shù)，需要設(shè)定的主要工藝參數(shù)有：填充距離與方式、掃描間距、填充掃描速度、邊緣輪廓掃描速度、支撐掃描速度、層間等待時間、跳跨速度、刮板涂鋪控制速度及光斑補償參數(shù)等。根據(jù)試驗的要求，選擇特定的工藝參數(shù)之后，計算機控制系統(tǒng)會在特定的物化反應(yīng)下，使光敏樹脂材料有效固化。根據(jù)試驗需求，固定工作臺的角度與位置，使其處于材料液面以下特定的位置，然后根據(jù)零點位置調(diào)整掃描器，當(dāng)一切按試驗要求準(zhǔn)備妥當(dāng)后，就可以開始固化試驗。紫外光會按照系統(tǒng)指令，照射特定薄層，使被照射的光敏材料迅速固化。當(dāng)紫外線固化一層樹脂材料之后，升降臺會下降，液態(tài)的光敏樹脂材料就會流動到已固化層的表面，接著刮板會將液態(tài)樹脂進(jìn)行刮平處理，然后進(jìn)行新的固化處理，重復(fù)上述實驗過程。如此不斷重復(fù)進(jìn)行固化，根據(jù)計算機軟件設(shè)定的參數(shù)達(dá)到實驗要求的模型結(jié)構(gòu)，最終獲得實體原型。（二）光固化成型加工階段二、光固化快速成型工藝過程PART03光固化（DLP）技術(shù)光固化（DLP）技術(shù)DLP是“DigitalLightProcession”的縮寫，直接翻譯過來就是“數(shù)字光處理”，也就是說這種技術(shù)是一種把光經(jīng)過數(shù)字處理，然后再投射出來的過程。它是一套美國德州儀器公司獨創(chuàng)的、采用光學(xué)半導(dǎo)體產(chǎn)生數(shù)字式多光源顯示的解決方案。DLP技術(shù)的核心是DMD芯片，DMD芯片最初的構(gòu)想出現(xiàn)在1977年，由德州儀器公司的科學(xué)家LarryHornbeck博士發(fā)明。那時，這一發(fā)明并不是要用于顯示設(shè)備，而是準(zhǔn)備作為印刷技術(shù)中的成像器。最早的DMD芯片使用的是模擬技術(shù)驅(qū)動，反射面是采用一種柔性材料，在當(dāng)時被稱為“變形鏡器件DeformableMirrorDevice"。1987年，LarryHornbeck博士又開發(fā)出了新一代數(shù)字驅(qū)動的DMD器件，并將名稱改為“數(shù)字微鏡器件(DigitalMirrorDevice)。到了1992年，德州儀器成立了數(shù)字成像事業(yè)部。兩年之后，第一臺DLP投影原型機誕生。1996年4月，第一臺商用DLP投影機正式誕生。投影機用的DMD發(fā)展到現(xiàn)在，從第一代的848X600的分辨率，400:1的對比度。到現(xiàn)在，一方面實現(xiàn)了最高的1920X1080的分辨率，1000:1的對比度，另一方面，提供了超小的支持煙盒大小投影系統(tǒng)。DLP技術(shù)在不斷的革新中發(fā)展，市場也在不斷的革新中擴展。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點2.DLP技術(shù)的不足1）由于DMD鏡片偏轉(zhuǎn)誤差會使光斑尺寸發(fā)生變化，隨著放大倍數(shù)的增大，有效光斑尺寸在總光斑尺寸中比例逐漸減小并最終會減小至0，限制了光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)。又因為DMD芯片尺寸較小，使得DLP型3D打印機無法形成較大的投影幅面，很難完成大幅面的打印成型工作。2）DLP型3D打印技術(shù)要求原材料為光敏樹脂，材料種類較少而且性能難以取代現(xiàn)有工程塑料，在應(yīng)用方面受限。而且光敏樹脂類材料中只有一部分能用于3D打印，材料價格較為昂貴。3）DLP型的3D打印機雖然對環(huán)境要求不高，但仍有一些基本的要求。首先，空氣濕度必須在適宜范圍內(nèi)，因為暴露在潮濕空氣中的樹脂會吸收水分而被稀釋，改變原材料中各成分的比例，導(dǎo)致成型失敗。其次，要求周圍環(huán)境中不存在紫外光源，一方面，外界環(huán)境中的紫外光會逐漸讓樹脂固化，造成材料浪費。另一方面，設(shè)備中的紫外光存在溢出的可能性，雖然較弱但在長時間照射下仍會對人體產(chǎn)生傷害，若疏于防范也會危害人員健康。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點（一）DLP技術(shù)打印原理DLP技術(shù)可以實現(xiàn)高清晰圖像的投影顯示，由于其特殊的顯示原理，圖像對比度很高，在顯示暗背景時，幾乎沒有光從投影系統(tǒng)中出射，這一特點保證了將該技術(shù)應(yīng)用在光固化成型中，光敏樹脂不會在長時間的工作下，由于溢出光的持續(xù)照射而發(fā)生聚合反應(yīng)，從而確保了DLP技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與掩模板相似的功能并應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。（二）DLP技術(shù)工藝特點3D打印機軟件將虛擬3D模型轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合打印物體的連續(xù)層。DLP3D打印機解決方案通過處理連續(xù)材料層來生成3D實物，此實物由3D計算機輔助設(shè)計(CAD)模型指定。這種技術(shù)通常用于快速創(chuàng)建精細(xì)原型，采用這種技術(shù)，材料各部分的打印工作可在單一流程中完成。3D打印機的價格對于中小規(guī)模企業(yè)而言越來越合理，通過此技術(shù)獲得的快速原型設(shè)計可直接帶入辦公室，不需要再進(jìn)入制造車間。3D打印的兩種常用方法分別是數(shù)字曝光和激光燒結(jié)。將DLP技術(shù)融入3D打印解決方案的高級原則，對于這兩種方法均適用，但數(shù)字曝光是在系統(tǒng)方框圖中表示，對于數(shù)字曝光技術(shù)，3D物體的構(gòu)造方法是逐層疊加紫外線(UV)固化液態(tài)光敏樹脂的連續(xù)薄型水平橫截面或材料層。對于每一層，來自DLP數(shù)字微鏡器件(DMD)的紫外光圖像將形成一種圖形，使曝光到紫外光下的樹脂層固化。DLP技術(shù)工作原理及工藝特點（三）DLP技術(shù)優(yōu)勢和不足1.DLP技術(shù)的優(yōu)勢與掃描式技術(shù)3D打印機相比，DLP型3D打印機具有幾個獨特的優(yōu)勢:1）單層固化速度快。通過單層圖像的投影曝光實現(xiàn)樹脂的固化并完成打印，不需要掃描過程。單層打印時間與分層圖像復(fù)雜程度無關(guān)，僅與樹脂所需曝光時間有關(guān)，使得打印過程進(jìn)一步簡化。2）打印精度高于一般技術(shù)。DMD芯片微鏡尺寸較小，集成度高，經(jīng)過投影成像系統(tǒng)后，單個鏡片光斑尺寸可以控制在100um以下，實現(xiàn)高精度打印。3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，對外界環(huán)境要求相對低。DLP型3D打印機使用DMD芯片作為核心器件，系統(tǒng)內(nèi)沒有復(fù)雜運動結(jié)構(gòu)，各部分相對獨立，方便維護(hù)。光機系統(tǒng)在工作時處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會受到其他干擾，可以提供穩(wěn)定的打印精度。4）易于實現(xiàn)。3D打印機內(nèi)使用的DLP投影系統(tǒng)與用于顯示的DLP投影系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是基本一致的，主要區(qū)別在于使用的光源不同。用于3D打印的DLP投影系統(tǒng)的光源多為紫外光，而普通顯示系統(tǒng)多為白光LED或三色LED。若選用固化峰值在可見光波段的光敏樹脂，可以使用普通DLP投影機作為3D打印系統(tǒng)的核心。而且普通DLP投影系統(tǒng)對藍(lán)紫光的損耗相對較低，依然可以選擇藍(lán)紫光波長的光敏樹脂材料，配合運動系統(tǒng)實現(xiàn)一臺初級的DLP型打印機。以DLP技術(shù)為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，目前由于DLP型3D打印機的投影圖像分辨率高，所以成型精度普遍高于傳統(tǒng)激光掃描型打印機，而且單層固化時間短，制作時間短，在制作小尺寸精細(xì)工件時，具有強大優(yōu)勢。基于DLP技術(shù)發(fā)展出的3D打印系統(tǒng)由以下幾部分組成:DLP投影系統(tǒng)、機械運動系統(tǒng)以及具有控制和運算能力的主控系統(tǒng)。零件的三維模型需要在主控系統(tǒng)上進(jìn)行切片處理運算，將三維模型分割為一系列二維平面圖像，之后控制DLP投影系統(tǒng)實現(xiàn)圖像的投影，與此同時，控制機械運動完成逐層打印，如此往復(fù)最終實現(xiàn)實體零件的制作。DLP投影技術(shù)中使用的數(shù)字微鏡器件(digitalmicromirrordevice,DMD)芯片是該類型3D打印的核心，在選擇芯片型號時要根據(jù)打印尺寸、打印精度、打印速度以及光源波長來選擇合適的芯片。圖1-2-13和圖1-2-14是2種DLP型3D打印系統(tǒng)的示意圖。以圖1-2-13中上曝光DLP型3D打印系統(tǒng)為例，介紹DLP型3D打印系統(tǒng)的工作流程:首先，液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，主控系統(tǒng)會對模型進(jìn)行分層計算,并根據(jù)精度需求生成對應(yīng)的分層圖像，之后將分層圖像傳遞給DLP投影設(shè)備，投影設(shè)備會根據(jù)分層圖像控制紫外光,把分層圖像成像在光敏樹脂液體的上表面，靠近液體表面的光敏樹脂在受到紫外光照射后，會發(fā)生光聚合反應(yīng)進(jìn)行固化，形成對應(yīng)分層圖像的已固化薄層。此時，單層成型工作完畢，接著工作臺向下移動一定距離，讓固化好的樹脂表面上補充未固化的液態(tài)樹脂，而后控制工作臺移動，使得下面補充的液體樹脂厚度和分層精度保持一致，使用刮板將樹脂液面刮平，然后即可進(jìn)行下一層的成型工作，如此反復(fù)直到整個零件制造完成。DLP3D打印系統(tǒng)圖1-2-13上曝光DLP型3D打印系統(tǒng)圖1-2-14下曝光DLP型3D打印系統(tǒng)DLP3D打印和SLA3D打印的區(qū)別目前光固化3D打印設(shè)備最主要的就是DLP和SLA，當(dāng)然CLIP技術(shù)也是基于上面兩種方式發(fā)展出來的。那么DLP和SLA這兩款機器又有什么不同呢？對于打印較小的模型，DLP更適合，DLP適合打印銳度更高、細(xì)節(jié)小的模型。但是還是有很多人仍舊認(rèn)為SLA精度比DLP高，DLP只是看上去很美，DLP光照不均勻容易導(dǎo)致模型變形不能打印滿尺寸、或者成型四邊效果差等等。其實這些問題只存在于以前的DLP3D，或者使用鹵素光源的DLP3D打印機。目前最新的DLP技術(shù)完全已經(jīng)突破了這些難點，并且在打印速度和模型畸變控制方面，可以說完勝SLA。光固化技術(shù)最重要的就是紫外光，這也是技術(shù)難點。在打印模型時，我們一般也傾向于選擇使用DLP投影機，因為DLP投影機的成像效果更好。投影原理一般是將光投射穿過高速轉(zhuǎn)動的紅藍(lán)綠色輪盤，再射到DLP晶片反射成像。DLP的核心技術(shù)是使用全數(shù)字DDRDMD芯片。下圖1-2-30即為DLP3D打印機設(shè)備圖。下面圖1-2-16、圖1-2-17和圖1-2-18是DLP3D打印機打印成果的細(xì)節(jié)圖。從打印結(jié)果來看DLP技術(shù)的精度是完全可以媲美并且超越SLA技術(shù)的，在細(xì)節(jié)方面完全可以超越SLA

3D打印機。當(dāng)然SLA成型技術(shù)還是具備一定的自身優(yōu)勢的，比如大體積的模型的打印還是需要使用SLA打印機，二者各有優(yōu)缺點。圖1-2-15DLP3D打印機圖1-2-16耳機圖1-2-17CPU可以看到清晰的針腳圖1-2-18戒指、十字釘PART04SLM激光選區(qū)熔化SLM激光選區(qū)熔化選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)和選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)是快速成型（RP）技術(shù)的重要組成部分。它是近年來發(fā)展起來的快速制造技術(shù)，相對其他快速成型技術(shù)而言，SLM技術(shù)更高效、更便捷，開發(fā)前景更廣闊，它可以利用單一金屬或混合金屬粉末直接制造出具有冶金結(jié)合、致密性接近100%、具有較高尺寸精度和較好表面粗糙度的金屬零件。SLM技術(shù)綜合運用了新材料、激光技術(shù)、計算機技術(shù)等前沿技術(shù)，受到國內(nèi)外的高度重視，成為新時代極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。如果這一技術(shù)取得重大突破，將會帶動制造業(yè)的跨越式（一）SLM基本原理與特點選區(qū)激光熔化（SLM）的原理示意圖如圖1-2-20所示。首先，通過專用的軟件對零件的CAD三維模型進(jìn)行切片分層，將模型離散成二維截面圖形，并規(guī)劃掃描路徑，得到各截面的激光掃描信息。在掃描前，先通過刮板將送粉升降器中的粉末均勻地平鋪到激光加工區(qū)，隨后計算機將根據(jù)之前所得到的激光掃描信息，通過掃描振鏡控制激光束選擇性地熔化金屬粉末，得到與當(dāng)前二維切片圖形一樣的實體。然后成型區(qū)的升降器下降一個層厚，重復(fù)上述過程，逐層堆積成與模型相同的三維實體。SLM的優(yōu)勢具有以下幾個方面：1）直接由三維設(shè)計模型驅(qū)動制成終端金屬產(chǎn)品，省掉中間過渡環(huán)節(jié)，節(jié)約了開模制模的時間；2）激光聚焦后具有細(xì)小的光斑，容易獲得高功率密度，可加工出具有較高尺寸精度（達(dá)0.lmm）及良好表面粗糙度（Rα為30～50μm）的金屬零件；3）成型零件具有冶金結(jié)合的組織特性，相對密度能達(dá)到近乎100%，力學(xué)性能可與鑄鍛件相比；4）SLM適合成型各種復(fù)雜形狀的工件，如內(nèi)部有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有個性化需求的零件，這些零件采用傳統(tǒng)方法無法制造出。SLM選區(qū)激光熔化基本原理選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)的工作原理與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）類似。其主要的不同在于粉末的結(jié)合方式不同，不同于SLS通過低熔點金屬或黏結(jié)劑的熔化把高熔點的金屬粉末或非金屬粉末黏結(jié)在一起的液相燒結(jié)方式，SLM技術(shù)是將金屬粉末完全熔化，因此其要求的激光功率密度要明顯高于SLS。為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度速熔化，SLM技術(shù)需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十微米。SLM技術(shù)目前都選用光束模式優(yōu)良的光纖激光器，激光功率從50W到400W，功率密度達(dá)5×106W/cm2以上。圖1-2-19為SLM技術(shù)成型過程獲得三維金屬零件效果圖。圖1-2-19SLM技術(shù)圖1-2-20原理示意圖（二）SLM成型高質(zhì)量金屬零件關(guān)鍵點SLM選區(qū)激光熔化基本原理由于成型材料為高熔點金屬材料，易發(fā)生熱變形，且成型過程伴隨飛濺、球化現(xiàn)象，因此，SLM成型過程工藝控制較困難，SLM成型過程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：1.材料SLM技術(shù)應(yīng)用中材料選擇是關(guān)鍵。雖然理論上可將任何可焊接材料通過SLM方式進(jìn)行熔化成型，但實際發(fā)現(xiàn)其對粉末的成分、形態(tài)、粒度等要求嚴(yán)格。研究發(fā)現(xiàn)合金材料（不銹鋼、鐵合金、鎮(zhèn)合金等）比純金屬材料更容易成型，主要是因為材料中的合金元素增加了熔池的潤濕性，或者抗氧化性，特別是成分中的含氧量對SLM成型過程影響很大。球形粉末比不規(guī)則粉末更容易成型，因為球形粉末流動性好，容易鋪粉。具備良好光束質(zhì)量的激光光源良好的光束質(zhì)量意味著可獲得細(xì)微聚焦光斑，細(xì)微的聚焦光斑對提高成型精度十分重要。由于采用細(xì)微的聚焦光斑，成型過程采用50-200W激光功率即可實現(xiàn)幾乎所有金屬材料的熔化成型，并且可有效減小掃描過程的熱影響區(qū)，避免大的熱變形；細(xì)小的聚焦光斑也是能成型精細(xì)結(jié)構(gòu)零件的前提。精密鋪粉裝置在SLM成型過程中，需保證當(dāng)前層與上一層之間、同一層相鄰熔道之間具有完全冶金結(jié)合。成型過程會發(fā)生飛濺、球化等缺陷，一些飛濺顆粒夾雜在熔池中，使成型件表面粗糙。而且一般飛濺顆粒較大，在鋪粉過程中，飛濺顆粒直徑大于鋪粉層厚，導(dǎo)致鋪粉裝置與成型表面碰撞。碰撞問題是SLM成型過程中經(jīng)常遇到的不穩(wěn)定因素。因此，不同于SLS技術(shù)，SLM技術(shù)需用到特殊設(shè)計的鋪粉裝置，如柔性鋪粉系統(tǒng)、特殊結(jié)構(gòu)刮板等。SLM工藝對鋪粉質(zhì)量的要求是：鋪粉后粉床平整、緊實，且盡量薄。2.氣體保護(hù)系統(tǒng)由于金屬材料在高溫下極易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，氧化物對成型質(zhì)量具有非常大的消極影響，使得材料潤濕性大大下降，阻礙了層與層之間；熔道之間的冶金結(jié)合能力。SLM成型過程須在具有足夠低的含氧量保護(hù)氣氛圍中進(jìn)行，根據(jù)成型材料的不同，保護(hù)氣可以是氧氣或成本較低的氮氣。SLM成型過程涉及幾個自由度軸或電機的協(xié)調(diào)運動，特別是鋪粉裝置采用傳送帶方式帶動，導(dǎo)致成型室內(nèi)密封性有一定的難度。3.合適的成型工藝如上所述，SLM成型過程中經(jīng)常會發(fā)生飛濺、球化、熱變形等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會引起成型過程不穩(wěn)定、成型組織不致密、成型精度難以保證等問題。合適的成型工藝對實現(xiàn)金屬零件SLM直接快速成型十分重要，特別是激光功率與掃描速度的比值，決定了材料是否熔化充分。能量輸入大小決定了粉末的成型狀態(tài)，包括氣化、過熔、熔化、燒結(jié)等，只有獲得優(yōu)化的能量輸入條件，配合合理的掃描間距與掃描 （三）影響SLM成型質(zhì)量的因素SLM選區(qū)激光熔化基本原理國外研究工作者總結(jié)發(fā)現(xiàn)，影響SLM成型效果的影響因素達(dá)到130個之多，而其中有13個因素起決定作用。根據(jù)經(jīng)驗，可將影響SLM成型質(zhì)量的因素分為6大類，包括：材料（成分、松裝密度、形狀、粒度分布、流動性等），激光與光路系統(tǒng)（激光模式、波長、功率、光斑直徑、光路穩(wěn)定性），掃描特征（掃描速度、掃描方法、層厚、掃描線間距等），環(huán)境因素（氧含量、預(yù)熱溫度濕度），幾何特性（支撐添加、幾何特征、空間擺放等），機械因素（粉末鋪展平整性、成型缸運動精度、鋪粉裝置的穩(wěn)定性等）。考察SLM成型件的指標(biāo)，主要包括致密度、尺寸精度、表面粗糙度、零件內(nèi)部殘余應(yīng)力、強度與硬度6個因素，其他特殊應(yīng)用的零件需根據(jù)行業(yè)要求進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)檢測。圖1-2-21中列出