当今主流3D打印成型技术及适用材料解析
点击量：679 发布时间：2017-02-13 作者：状迈（上海）增材制造技术有限公司
3D打印其实并不神秘，也不是一项崭新的技术，其实3D打印早已在工业应用的领域默默奉献了近三十年。总的来说，物体成型的方式主要有以下四类：减材成型、受压成型、增材成型、生长成型。
减材成型：主要是运用分离技术把多余部分的材料有序地从基体上剔除出去，如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。
受压成型：主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。受压成型多用于毛坯阶段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密铸造、精密锻造等净成型均属于受压成型。
增材成型：又称堆积成型，主要利用机械、物理、化学等方法通过有序地添加材料而堆积成型的方法。
生长成型：指利用材料的活性进行成型的方法，自然界中的生物个体发育属于生长成型。随着活性材料、仿生学、生物化学和生命科学的发展，生长成型技术将得到长足的发展。
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。
当今主流的3D打印技术及匹配材料：
挤压成型：
一、熔融沉积成型工艺（FDM）
熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Modeling，FDM）是继LOM工艺和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。该技术由Scott Crump于1988年发明，随后Scott Crump创立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3D Modeler）”，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。
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：
FDM详细技术原理
热熔性丝材（通常为ABS或PLA材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝材在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便丝材能够顺利准确地由供料辊送到喷头的内腔。
喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态，然后通过挤出机把材料挤压到工作台上，材料冷却后便形形成了工件的截面轮廓。
采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时需要有支撑结构的支持，为了节省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM设备会采用了双喷头的设计，一个喷头负责挤出成型材料，另外一个喷头负责挤出支撑材料。
一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高，沉积效率也较低。用于制作支撑材料的丝材会相对较粗一些，而且成本较低，但沉积效率会更高些。支撑材料一般会选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净。
适用材料：热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料
线状成型：
一、电子束自由成形制造（EBF）
电子束自由成形Electron beam freeform fabrication（EBF）是一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺。采用该增材制造工艺制造的近净成形零件需要通过减材工艺进行后续的精加工。
其原理为在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛坯。
该工艺最初为美国NASA 兰利研究中心开发，其合同商 Sciaky 是当前该工艺开发方面的最领先公司，目前已经加入DARPA“创新金属加工 - 直接数字化沉积（CIMP-3D）”中心的研究。该工艺的研究主要用于航空航天领域。
EBF详细技术原理
EBF工艺可替代锻造技术，大幅降低成本和缩短交付周期。它不仅能用于低成本制造和飞机结构件设计，也为宇航员在国际空间站或月球或火星表面加工备用结构件和新型工具提供了一种便捷的途径。
EBF技术可以直接成形铝、镍、钛、或不锈钢等金属材料，而且可将两种材料混合在一起，也可将一种材料嵌入另一种，例如可将一部分光纤玻璃嵌入铝制件中，从而使传感器的区域安装成为可能。EBF3 系统已经在 NASA 喷气式飞机上进行测试，并经历了短暂的失重状态。
适用材料：几乎任何合金
粒状物料成型：
一、直接金属激光烧结技术（DMLS）
通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。这种零件制造工艺被称为“直接金属激光烧结技术（Direct Metal Laser-Sintering）”。
通过选用不同的烧结材料和调节工艺参数，可以生成性能差异变化很大的零件，从具有多孔性的透气钢，到耐腐蚀的不锈钢再到组织致密的模具钢。这种离散法制造技术甚至能够直接制造出非常复杂的零件，避免了采用铣削和放电加工，为设计提供了更大的自由度。
DMLS详细技术原理
早些年只有相对软的材料适用这种技术，而随着技术的不断进步，适用领域也扩展到了塑料、金属压铸和冲压等各种量产模具。应用这项技术的优点不仅是周期短，而且使模具设计师能够把心思集中在如何建构最佳的几何造型，而不用考虑加工的可行性上。结合CAD和CAE技术可以制造出任意冷却水路的模具结构。
DMLS是金属粉体成型，有同轴送粉和辊筒送粉两类。同轴送粉的技术适合制造分层厚度在1mm以上物件，大型的金属件，目前我国最大的工件居然是核电部件，在四川制造。一些航空部件西工和北理工开始产业化了。辊筒送粉的产品精细度高，适合制造小型部件，因为制造过程部件很容易热变形。制造空间超过电脑机箱大小都是很困难的。以上几类3D打印其实都是对应了材料的热曲线，需要材料配合，以金属粉体为例，既涉及到粉体粒径形貌又涉及到粒径搭配，还需要热处理使得马氏体和奥氏体之间结构转化。
DMLS技术由德国EOS公司开发，与SLS和SLM技术原理非常类似 。EOS公司出品的EOSINT M 系列机型也非常类似3D Systems 公司的 sPro 系列机型。M系列能打印铝，钴铬合金，钛，镍合金和钢。
适用材料：几乎任何合金
二、电子束熔化成型（EBM）
电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）技术是增材制造技术的主要方向之一。目前世界上仅有瑞典的Arcam AB公司可提供商业化设备。
其工作原理主要是利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实；然后，电子束在计算机的控制下按照轮廓截面信息进行有选择的烧结，金属粉末在电子束的轰击下烧结在一起，并与下面已成型的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部烧结完成；最后去除多余粉末便得到想要的零件。
EBM详细技术原理
EBM技术采用金属粉末为原材料，其应用范围相当广泛，尤其在难熔、难加工材料方面有突出用途，包括钛合金、钛基金属间化合物、不锈钢、钴铬合金、镍合金等，其制品能实现高度复杂性并达到较高的力学性能。此技术可用于航空飞行器及发动机多联叶片、机匣、散热器、支座、吊耳等结构的制造。
适用材料：钛合金
三、选择性激光熔融技术（SLM）
SLM技术由德国夫琅和费学院于1995年与当时的F&S Stereolithographietechnik公司合作研发并申请获得相关专利。2000年早期F&S与德国MCP HEK公司（后来称为MTT科技公司，又改为SLM Solutions公司）达成商业合作。如今，SLM技术的创始人Dieter Schwarze博士在SLM Solutions公司，而Matthias Fockele博士则创立了Realizer公司。
SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
SLM详细技术原理
3D Systems公司也出品了采用SLM技术的金属3D打印机：sPro125和250。3D Systems 公司称它们为直接金属选择性激光熔融（Direct Metal SLM）。它们能生产高精度，高复杂度的金属零件。打印层厚可达20微米，可打印的金属包括钛，不锈钢，钴铬合金，工具钢等，所以能够应用在航空领域（比如带冷却仓的超高效散热片的一体化打印），以及医疗保健领域（比如超复杂形状的金属下颚）等等。
适用材料：钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝
四、选择性热烧结成型技术（SHS）
Selective sintering（选择性热烧结）技术始于3D印刷工场，这家创新的丹麦企业成立于2009年，旨在创造一种“办公室3d打印机”，实惠的价格和高质量的印刷。
他们的专利SHS（选择性热烧结）在2011年推出3D印刷技术在EUROMOLD。它类似于激光烧结，但是，而不是使用激光SHS使用的热打印头。被保持在升高的温度下，这样的机械扫描头只需要提升的温度稍高于粉末的熔融温度，以选择性地结合，粉末床。
它是如何工作的？然后它被切成层，使用另一种方案，在CAD软件设计的三维模型。当按下“打印”按钮，打印机蔓延在整个构建室一层薄薄的塑料粉末。感热式打印头开始来回移动，从打印头的热熔融到塑料粉末层中的每个横截面。再次三维打印机，塑料粉末，准备新的层，感热式打印头，继续加热到粉末层。最终的三维模型是在编译室 - 由未熔化粉末包围。未使用的粉是100％可回收，没有必要额外的支持材料。
随着选择性热烧结技术的3D打印机可以使任何复杂的几何形状（最小壁厚为1毫米）的形成。可以加载多个3D模型，并打印在同一时间。
适用材料：热塑性粉末
五、选择性激光烧结工艺（SLS）
选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering，SLS），该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R.Dechard创立了DTM公司并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。
二十年多年来奥斯汀分校和DTM公司在SLS工艺领域投入了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上都取得了丰硕的成果。德国的EOS公司针对SLS工艺也进行了大量的研究工作并且已开发出一系列的工业级SLS快速成型设备，在2012年的欧洲模具展上EOS公司研发的3D打印设备大放异彩。
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。
SLS工艺使用的是粉末状材料，激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样材料层层堆积实现成型，如图所示为SLS的成型原理：
SLS详细技术原理
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工艺支持多种材料，成型工件无需支撑结构，而且材料利用率较高。尽管这样SLS设备的价格和材料价格仍然十分昂贵，烧结前材料需要预热，烧结过程中材料会挥发出异味，设备工作环境要求相对苛刻。
适用材料：热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
粉末层喷头成型技术：
一、三维印刷工艺（3DP）
石膏3D打印又叫粉末层喷头3D打印（Three-Dimension Printing，3DP），该技术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，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的，如图所示为3DP的技术原理：
3DP详细技术原理
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粘合剂（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。
适用材料：石膏、热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末
层压成型技术：
一、分层实体成型工艺（LOM）
分层实体成型工艺（Laminated Object Manufacturing，LOM），这是历史最为悠久的3D打印成型技术，也是最为成熟的3D打印技术之一。LOM技术自1991年问世以来得到迅速的发展。由于分层实体成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉且成型精度高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。下面我们一起了解一下LOM技术的原理，如图所示为LOM技术的基本原理：
LOM详细技术原理
分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。
其中计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄膜材料）逐步送至工作台上方。
激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起，就这样重复上述的步骤直到工件完全成型。
LOM工艺采用的原料价格便宜，因此制作成本极为低廉，其适用于大尺寸工件的成型，成型过程无需设置支撑结构，多余的材料也容易剔除，精度也比较理想。尽管如此，由于LOM技术成型材料的利用率不高，材料浪费严重颇被诟病，又随着新技术的发展LOM工艺将有可能被逐步淘汰。
适用材料：纸、金属膜、塑料薄膜
光聚合成型技术：
一、立体光固化成型工艺（SLA）
立体光固化成型工艺（Stereolithography Apparatus，SLA），又称立体光刻成型。该工艺最早由Charles W.Hull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。Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了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工艺也成为了目前世界上研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。
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。下面我们一起了解一下SLA技术的原理，如图所示为SLA技术的基本原理：
SLA详细技术原理
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从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，刮板将粘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粘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，小编在一次3D打印体验活动（iCader带您走进中科院探秘3D打印”活动简报：华南地区的3D打印技术产业联盟呼之欲出）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。
适用材料：光硬化树脂（photopolymer）
二、PolyJet聚合物喷射技术（UV紫外线成型技术）
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，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料，如图所示为PolyJet聚合物喷射系统的结构：
PolyJet聚合物喷射技术原理
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的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、复杂细节和薄壁等等的结构。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。
使用PolyJet聚合物喷射技术成型的工件精度非常高，最薄层厚能达到16微米。设备提供封闭的成型工作环境，适合于普通的办公室环境。此外，PolyJet技术还支持多种不同性质的材料同时成型，能够制作非常复杂的模型。
适用材料：光硬化树脂（photopolymer）
三、数字光处理技术（DLP）
在数字光处理技术中，大桶的物体聚合物被暴露在数字光处理投影机的安全灯环境下，暴露的液体聚合物快速变硬，然后设备的构建盘以较小的增量向下移动，液体聚合物再次暴露在光线下。这个过程不断重复，直到模型建成。最后排出桶中的液体聚合物，留下实体模型。采用DLP 技术的代表设备是德国EnvisionTec 公司的Ultra 3D 打印数字光处理快速成型系统。
DLP 激光成型技术和SLA 立体平版印刷技术比较相似，也是采用光敏树脂作为打印材料，不同的是SLA 的光线是聚成一点在面上移动，而DLP 在打印平台的顶部放置一台高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪，将光打在一个面上来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，因此速度比同类型的SLA 立体平版印刷技术速度更快。
DLP 的应用非常广泛，该技术最早是由德州仪器开发的，它至今仍然是此项技术的主要供应商。最近几年该技术放入3D 打印中，利用机器上的紫外光（白光灯），照出一个截面的图像，把液态的光敏树脂固化。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
SLA与DLP打印所需的液态光敏树脂材料也因生产商家和机型的不同而各有特点，比如EnvisionTec 的各类机型都可以使用EC-500 型蜡基液体树脂材料制造各类精致饰品模型以用于失蜡法铸造，但其每千克材料成本高达几千元。其民用代表机型有B9 Creator（2500美元），Form1（3300美金）等。
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