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

1、作者：Pan Hon glia ng僅供個(gè)人學(xué)習(xí)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(dòng)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(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

2、繼LOM工藝和SLA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(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。FDMT藝無需激光系統(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，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出

3、來。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）原材料在成型過程中無化學(xué)變化，相對(duì)金屬粉末，樹脂固化制件成型的變形

4、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） 需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行逐步打印，成型時(shí)間較長，成型速度相對(duì)SLA慢7尬右。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(qǐng)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(tái)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(duì)液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動(dòng)的方式制造出精度極高的幾何立體模型；DLP

5、 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(huì)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(gè)薄層。當(dāng)一層樹脂固化完畢后，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)

6、體的成型精度。采用刮板刮平后，所需要的液態(tài)樹脂將會(huì)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(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，成型過程

7、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工藝所支持的材料還相當(dāng)有限且價(jià)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(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)通過液晶屏照射到光敏樹脂上

8、，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。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(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；

9、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(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)樹脂材料，并且因?yàn)椴牧?本身特性問題，不能對(duì)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(shí) 有局限性。（4）需要二次固化。在很多情況下，經(jīng)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(jié)工藝SLS技術(shù)起源于1986年，于1988年研制成

10、功了第一臺(tái) 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Sin terStation 2000成形機(jī)。在過去的20多年里，SLS技術(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(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)加工的過程先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，

11、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(tái)將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輥又會(huì)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(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)將上升至原來的高度，此時(shí)需要把工件取出使用刷子 或壓縮空氣把模

12、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(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

13、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(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)

14、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)雜細(xì)節(jié)和薄壁等結(jié)構(gòu)。當(dāng)完成整個(gè)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

15、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。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-Dimension Printing,3DP ）由美國

16、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(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

17、用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作 復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。3DP三維印刷成型優(yōu)點(diǎn)：（1）成型速度快；（2）在粘結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力特點(diǎn)之一。（3）成型過程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔3DP三維印刷成型缺點(diǎn)：（1）強(qiáng)度較低，只能做概念型模型，而不能做功能性試驗(yàn)；（2）材料問題，在成型時(shí)對(duì)加工環(huán)境要求較高，并容易產(chǎn)生粉塵等污染；版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計(jì)等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個(gè)人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures

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