02-第2章 3D打印的技術(shù)原理

3D打印技術(shù)原理與應(yīng)用第二章3D打印的技術(shù)原理目錄CONTENTS013D打印技術(shù)的分類02典型3D打印成型方法介紹033D打印成型誤差分析3D打印技術(shù)的分類按材料形態(tài)分類按增材制造工藝步驟分類

013D打印技術(shù)的分類自從20世紀(jì)80年代美國出現(xiàn)第一臺商用光固化成形機后，在近三十年時間內(nèi)3D打印技術(shù)得到了快速發(fā)展，各種各樣的新技術(shù)、新設(shè)備也日新月異、層出不窮。技術(shù)上的廣譜性，給3D打印技術(shù)的分類帶來了很大的困難。有學(xué)者提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念，這為3D打印技術(shù)分類提供了有益的線索。狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，分層累加材料的技術(shù)體系；而“廣義”的增材制造則指以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇的技術(shù)群。3D打印技術(shù)分類體系圖2-1給出了一個3D打印技術(shù)的分類體系。圖2-13D打印技術(shù)分類體系按材料形態(tài)分類按適用的材料形態(tài)對3D打印技術(shù)進(jìn)行分類，比較簡單、全面且直觀；缺點是這種分類方法不能清楚地反映制造工藝的特點。材料形態(tài)成型工藝基本材料線材熔融沉積式（FDM）熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬、食材電子束自由成型（EBF）幾乎任何合金顆粒直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）幾乎任何合金、碳化物復(fù)合材料、氧化物陶瓷材料電子束熔融成型（EBM）鈦合金、不銹鋼等選擇性激光熔融成型（SLM）鎳合金、鈦合金，鈷鉻合金，不銹鋼，鋁選擇性熱燒結(jié)（SHS）熱塑性粉末選擇性激光燒結(jié)（SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末激光工程化凈成形（LENS）金屬如鈦、鎳、鉭、鎢、錸及其它金屬合金粉末石膏3D打?。≒P或3DP）石膏、UV墨水片材分層粘結(jié)成型（LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜、復(fù)合材料膜液態(tài)光固化成型（SLA）光敏樹脂數(shù)字光處理（DLP）光敏樹脂PolyJet光敏樹脂或樹脂混合材料生物分層鋪覆（LP）生物細(xì)胞、生物活性材料、可降解材料表2-1常見的3D打印技術(shù)分類及其適用材料按材料形態(tài)分類按適用的材料形態(tài)對3D打印技術(shù)進(jìn)行分類，比較簡單、全面且直觀；缺點是這種分類方法不能清楚地反映制造工藝的特點。雖然3D打印技術(shù)都是基于分層疊加的增材制造基本原理，但其具體實現(xiàn)的方式卻是多種多樣的，主要體現(xiàn)在適用的材料以及打印物體的分層構(gòu)建工藝的不同上。

按使用材料的形態(tài)來分，常見的3D打印技術(shù)可以劃分為如下類型。1．線材3D打印技術(shù)。2．顆粒3D打印技術(shù)。3．粉末3D打印技術(shù)。4．片材3D打印技術(shù)。5．液態(tài)3D打印技術(shù)。6．生物3D打印技術(shù)。按材料形態(tài)分類圖2-3聚合物3D打印技術(shù)分類

圖2-2金屬3D打印技術(shù)分類

按增材制造工藝步驟分類按增材制造工藝步驟對3D打印技術(shù)進(jìn)行分類，可以將3D打印技術(shù)分為單步工藝3D打印技術(shù)和多步工藝3D打印技術(shù)兩大類。這種分類方法的優(yōu)點是簡單明了、綜合性好、類別覆蓋全面；缺點是分類線條較粗，類別的技術(shù)特征不顯著。圖2-4單步和多步增材制造工藝

按增材制造工藝步驟分類1．增材制造單步工藝零件或?qū)嵨镌趩我徊僮鞑襟E中打印制造，即可以同時獲得預(yù)期產(chǎn)品的基本幾何形狀和基本材料特性，這種工藝稱作單步工藝。即使是在單步工藝中，去除支撐結(jié)構(gòu)并進(jìn)行清洗有時也是必要的。圖2-5～圖2-7分別給出了金屬材料、聚合物材料和陶瓷材料的單步增材制造工藝。2．增材制造多步工藝當(dāng)零件或?qū)嵨锿ㄟ^兩步或兩步以上工藝制造時，一般首先獲得其基本幾何形狀，然后再通過后處理固化零件或?qū)嵨镆垣@得預(yù)期的材料特性。只有在十分理想情況下或特殊用途時，如對制品質(zhì)量要求不高時，才有可能通過首次操作即將材料粘結(jié)，并形成最終的由金屬、聚合物、陶瓷或復(fù)合材料組成的零件或?qū)嵨铩嵺`中，大多數(shù)3D打印制品都需要通過多步工藝制造。例如，使用FDM桌面3D打印機制作模型后，一般還需要表面拋光、上色，才能得到滿意的最終模型實物。圖2-8給岀了金屬、聚合物和陶瓷材料的多步增材制造工藝。按增材制造工藝步驟分類-金屬單步

圖2-5金屬材料單步增材制造工藝按增材制造工藝步驟分類-聚合物單步

圖2-6聚合物材料單步增材制造工藝按增材制造工藝步驟分類-陶瓷單步

圖2-7陶瓷材料單步增材制造工藝按增材制造工藝步驟分類-金屬、聚合物、陶瓷多步

圖2-8金屬、聚合物和陶瓷材料的多步增材制造工藝典型3D打印成型方法簡介光固化成型法（SLA）分層實體制造法（LOM

）選擇性激光燒結(jié)成型法（SLS

）熔融沉積成型法（FDM）SLA、LOM、SLS、FDM成型技術(shù)的對比生物3D打印02典型3D打印成型方法簡介3D打印成型方法門類眾多，每種成型方法又發(fā)展出了多種細(xì)分的成型技術(shù)。其中，選擇性光固化成型法（SLA）、分層實體制d造法（LOM）、激光燒結(jié)成型法（SLS）和熔融沉積成型法（FDM）及生物分層鋪覆（LP）是最有代表性的幾種典型3D打印成型方法。之所以說這些方法典型，是因為其他成型方法在技術(shù)原理上都與這些方法有相似之處，在某種意義上，可以看作是這些典型成型方法技術(shù)的拓展和延伸。

本節(jié)以選擇性光固化成型法（SLA）、分層實體制造法（LOM）、激光燒結(jié)成型法（SLS）和熔融沉積成型法（FDM）及生物分層鋪覆（LP）等五種典型成型方法為例，分別簡要介紹其技術(shù)原理、工藝流程及相應(yīng)的典型設(shè)備。光固化成型法（SLA）光固化成型（SLA）是由美國工程師查爾斯·赫爾（CharlesW.Hull）于1984年提出的，并于1986年獲得專利授權(quán)。這是立體光刻技術(shù)領(lǐng)域的第一個具有開創(chuàng)性意義的快速成型專利，它開啟了3D打印技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用的一個嶄新的時代篇章。圖2-9光固化成型法工藝原理示意圖

光固化成型法（SLA）-原理視頻

SLA技術(shù)的特點SLA技術(shù)有以下優(yōu)點：（1）由于SLA技術(shù)發(fā)展的時間較長，因而其工藝比較成熟，應(yīng)用也很廣泛，而且打印制品的精度也很高；（2）打印的制品表面質(zhì)量好。雖然在每層固化時側(cè)面及曲面表面可能會出現(xiàn)分層臺階，但經(jīng)過簡單的后處理，仍可以得到類似玻璃鏡面的表面效果；（3）可以制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具等。

同時，SLA技術(shù)也有以下缺點：

（1）尺寸穩(wěn)定性差。成型過程中往往伴隨著物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致制品的軟薄部分受材料熱脹冷縮作用，易產(chǎn)生翹曲變形，因而極大地影響了成型件的整體尺寸精度；

（2）需要設(shè)計成型件的支撐結(jié)構(gòu)，否則會產(chǎn)生變形。支撐結(jié)構(gòu)需要在成型件未完全固化時，手工去除，容易破壞成型性等。典型SLA設(shè)備1988年，3D打印行業(yè)巨頭美國3DSystems公司，基于SLA成型技術(shù)原理開發(fā)出了世界上第一臺工業(yè)SLA3D打印機——SLA-250（見圖2-10）。SLA-250的商業(yè)化批量生產(chǎn)，成為了3D打印成型技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑事件。圖2-10世界上第一臺工業(yè)SLA3D打印機——SLA-250

光固化成型法（SLA）-原理對比-數(shù)字光處理（DLP）

光固化成型法（SLA）-原理對比-數(shù)字光處理（DLP）

分層實體制造法（LOM）

分層實體制造法又叫層疊法成型技術(shù)（LOM），是由美國HeIisys公司的工程師邁克爾·費金（MichaelFeygin）于1986年研制成功的。層疊法成型技術(shù)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)幾種最成熟的快速成型制造技術(shù)之一，主要以片材（如紙片、塑料薄膜或金屬復(fù)合材料）作為打印原材料。圖2-11分層實體制造法工藝原理示意圖

分層實體制造法（LOM）-原理視頻LOM技術(shù)的特點LOM技術(shù)有以下優(yōu)點。（1）成型速度較快。LOM技術(shù)本質(zhì)上不同于傳統(tǒng)逐點打印的增材制造方法，無需逐點打印整個截面，只需要使用激光束將物體每層截面的輪廓切割出來，所以成型速度很快。常用于制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的大型零部件；

（2）成型精度很高，并且可以進(jìn)行彩色打?。煌瑫r，打印過程中造成的制品翹曲變形非常小等。

同時，LOM技術(shù)也存在以下缺點。

（1）由于成型過程中，在薄片層間使用了粘接劑，因此不能直接制作單一材料的原型；

（2）受成型工藝及材料的限制，成型制品的抗拉強度和彈性往往都不夠好。例如，在層疊加方向上的抗拉強度通常比較差等。典型LOM設(shè)備南京紫金立德的LOM技術(shù)已經(jīng)申請了全球性的專利技術(shù)保護(hù)，具有全球范圍的壟斷性自主知識產(chǎn)權(quán)。該公司已經(jīng)利用其LOM專利技術(shù)開發(fā)出了系列3D打印機，目前，在其商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品中，最新型的是炫龍DD3Pro系列，如圖2-12所示。

2-12炫龍DD3Pro系列LOM3D打印機示例

選擇性激光燒結(jié)成型法（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的卡爾·德卡德（CarlR.Deckard）于1989年在其碩士論文中提出的，隨后卡爾·德卡德創(chuàng)立了DTM公司，專注基于SLS技術(shù)的3D打印機的生產(chǎn)。2-13選擇性激光燒結(jié)工藝原理示意圖

選擇性激光燒結(jié)成型法（SLS）-原理視頻SLS技術(shù)的特點SLS技術(shù)具有以下優(yōu)點。（1）可使用材料廣泛。SLS技術(shù)可使用的成型材料包括尼龍、聚苯乙烯等聚合物，鐵、鈦、合金等金屬、陶瓷、覆膜砂等。理論上，任何加熱后能夠形成分子間粘結(jié)的粉末材料，都可以作為SLS的成型材料；（2）成型過程與零件復(fù)雜程度無關(guān)，且制品的強度高等；（3）材料利用率高。因為未燒結(jié)的材料可重復(fù)使用，所以材料浪費少，成本較低。同時，SLS技術(shù)也存在以下缺點。（1）原型結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)疏松、多孔隙，且有內(nèi)應(yīng)力，制品易變形；（2）打印的陶瓷、金屬制品的后處理難度較大；（3）需要預(yù)熱和冷卻，較費時等。典型SLS設(shè)備第一臺基于SLS技術(shù)的工業(yè)3D打印機Sinterstation2000于1992年由美國DTM公司推出，并實現(xiàn)了商業(yè)化批量生產(chǎn)和銷售。DTM后來被美國3DSystems公司所合并。圖2-14第一臺SLS工業(yè)3D打印機Sinterstation2000

熔融沉積成型法（FDM

）熔融沉積成型（FDM）是上世紀(jì)八十年代末，由美國Stratasys公司的創(chuàng)始人斯科特·克倫普（S.ScottCrump）和他的妻子、發(fā)明家麗莎·克倫普（LisaCrump）于1989年發(fā)明的技術(shù)，并于1992年獲得了美國專利授權(quán)。圖2-15熔融沉積工藝原理示意圖

熔融沉積成型法（FDM）-原理視頻FDM技術(shù)的特點FDM技術(shù)有以下優(yōu)點。（1）成本低。由于FDM成型工藝中用液化器代替了激光器，設(shè)備造價低；（2）成型材料范圍較廣。如各種色彩的工程塑料ABS、PLA、PC、PPS及醫(yī)用ABS等熱塑性材料，均可作為FDM的打印成型材料，不僅選材廣泛，而且還可以絢麗多彩等。同時，F(xiàn)DM技術(shù)也存在以下缺點。（1）原型表面有較明顯的臺階狀條紋，相對先進(jìn)的SLA工藝成型精度較低；（2）打印制品沿著與成型軸垂直方向的強度較高，其他方向則較低；（3）在打印過程中，有時需要設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)等。典型FDM設(shè)備1992年，美國Stratasys公司推出了世界上第一臺基于FDM技術(shù)的商用3D打印機——3D造型者（3DModeler），如圖2-16所示，這標(biāo)志著FDM技術(shù)正式步入了商業(yè)化應(yīng)用階段。圖2-16世界上第一臺3D造型者FDM3D打印機

SLA、LOM、SLS、FDM成型技術(shù)的對比

由于SLA、LOM、SLS及FDM成型技術(shù)在技術(shù)原理和工藝路線上的不同，使得采用這些技術(shù)的生產(chǎn)的3D打印成型設(shè)備，在價格、制品精度、表面質(zhì)量、制品復(fù)雜度、制品尺度、可選材料價格及種類、材料的利用率及打印效率等方面，均有不同的表現(xiàn)。

工藝SLALOMSLSFDM設(shè)備價格貴中等較貴便宜制品精度較高中等中等較低表面質(zhì)量優(yōu)良較差中等較差制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜度復(fù)雜簡單復(fù)雜中等制品大小中、小中、大中、小中、小材料價格較貴較便宜中等較貴材料種類光敏樹脂紙、塑料、金屬薄膜石蠟、塑料、金屬、陶瓷粉末石蠟、塑料絲材料利用率～100%較差～100%～100%打印效率高高中等較低表2-2SLA、LOM、SLS、FDM打印成型技術(shù)的比較SLA、LOM、SLS、FDM成型技術(shù)的對比SLA、LOM、SLS及FDM成型技術(shù)的直觀比較。1．成型速度：SLA＞LOM＞（SLS≈FDM）；2．打印精度：SLA＞LOM＞SLS＞FDM；3．打印尺寸大?。篖OM＞SLA＞SLS＞FDM；4．打印材料范圍：SLS＞FDM＞LOM＞SLA；5．主要部件使用壽命：FDM＞LOM＞SLA＞SLS；6．打印設(shè)備價格：SLA＞SLS＞LOM＞FDM；7．耗材價格：SLA＞FDM＞SLS＞LOM。生物3D打印生物3D打印是指以按需設(shè)計的三維CAD模型為基礎(chǔ)，利用軟件分層離散和數(shù)控成型的增材制造原理，定位裝配生物材料（活細(xì)胞亦可混合在定制的生物材料中），制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔具等生物醫(yī)學(xué)類產(chǎn)品的一種快速成型技術(shù)。隨著生物3D打印技術(shù)的發(fā)展，其概念也在不斷地延伸。狹義上看，生物3D打印通常是指操縱含活體細(xì)胞的生物墨水去構(gòu)造活性結(jié)構(gòu)的3D打印；從廣義上說，直接為生物醫(yī)療領(lǐng)域服務(wù)的3D打印，都可視為生物3D打印的范疇。生物3D打印無論對制藥企業(yè)的新藥創(chuàng)制、醫(yī)療器械企業(yè)的個性化醫(yī)療器械的研發(fā)生產(chǎn)，以及醫(yī)院醫(yī)療新技術(shù)的開發(fā)轉(zhuǎn)化，都具有重要的研究意義與實用價值。圖2-17生物3D打印原理示意圖

生物3D打印-簡介視頻生物3D打印-打印過程視頻生物3D打印的技術(shù)特點生物3D打印是快速成型技術(shù)中頗具發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域之一，也是一個多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。生物3D打印技術(shù)具有以下特點。（1）每個人的身體構(gòu)造、病理狀況一般都不會完全相同，存在個性化、差異化的特性。而生物3D打印技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、差異化的特點，特別適合制造形狀復(fù)雜的、個性化的人體器官組織的物理實體；（2）將生物3D打印與生物材料、細(xì)胞培養(yǎng)、醫(yī)學(xué)成像和CAD技術(shù)相結(jié)合，針對患者特定的解剖構(gòu)造、生理功能和治療需求，來設(shè)計和制造人工植入支架、組織器官和醫(yī)療輔具等醫(yī)學(xué)產(chǎn)品，為個性化醫(yī)療和精密醫(yī)療提供了突破性的治療新途徑。生物3D打印的技術(shù)特點生物打印的幾個具體技術(shù)難題。（1）細(xì)胞技術(shù)。選擇什么類型的細(xì)胞，對與生物3D打印相關(guān)的生物組織或者器官來說，是至關(guān)重要的。人體的不同組織都是由特有的細(xì)胞組合而成的，如肝臟主要有肝細(xì)胞，心臟主要有心肌細(xì)胞，皮膚主要有各種上皮細(xì)胞等。但是，不是所有組織特有的細(xì)胞都可以在體外進(jìn)行分離培養(yǎng)的，而且，也不是所有的細(xì)胞都能在經(jīng)歷了生物3D打印的環(huán)境之后，還能夠保持自身的生物活性的；（2）生物材料。人體不同的組織器官都有其特有的物理學(xué)、力學(xué)及生化特性，需要選擇與組織特性相對應(yīng)的生物材料，并且這些材料還需要最大限度地保持所選擇細(xì)胞的生物活性和功能。更重要的是，所選擇的材料必須能夠通過3D打印系統(tǒng)進(jìn)行打印操作；（3）生物打印技術(shù)。常用的生物3D打印主要有激光（Laser-based）、噴繪（Inkjet-based）和擠制（Extrusion-based）等三種主流技術(shù)。如何根據(jù)需要打印的組織器官的特點，合理地選擇適合的打印技術(shù)，也是生物3D打印能否成功的關(guān)鍵。關(guān)鍵是如何將其與生物打印的體系相融合，使之在發(fā)揮最大功效的同時，還能保持細(xì)胞的生物活性和生物材料的物理化學(xué)特性，并且能保證打印的制品滿足醫(yī)學(xué)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。典型的生物3D打印設(shè)備2013年，杭州電子科技大學(xué)研發(fā)出了國內(nèi)首臺生物3D打印機“Regenovo”，并成功應(yīng)用于人體器官的打印。隨著醫(yī)療與康復(fù)事業(yè)的快速發(fā)展，近年來，各式各樣的生物3D打印機也紛紛涌現(xiàn)。根據(jù)打印模式（噴頭）的不同，現(xiàn)有的生物3D打印機大體可以分成以下三類：（1）噴墨生物打印機（InkjetBio-printer）（2）微擠壓生物打印機（Micro-extrusionBio-printer）（3）激光輔助生物打印機（Laser-AssistedBio-printer，LAB）圖2-19國內(nèi)首臺生物3D打印機“Regenovo”

3D打印成型誤差分析數(shù)據(jù)處理誤差打印成型誤差后處理誤差03數(shù)據(jù)處理誤差誤差是3D打印過程中比較常見、同時也是無法避免的問題。造成誤差出現(xiàn)的原因有很多，比如3D打印設(shè)備的機械零部件精度、打印參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理精度等，都有可能存在誤差。3D打印誤差一般可分為前期數(shù)據(jù)處理誤差、成型加工誤差和后處理誤差等三類，右圖為打印誤差的分類。圖2-193D打印誤差的分類數(shù)據(jù)處理誤差-誤差示例誤差示例視頻數(shù)據(jù)處理誤差數(shù)據(jù)處理誤差包括模型格式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差和分層切片造成的誤差等兩大類。在打印制品CAD設(shè)計建模完成之后，需要將其轉(zhuǎn)換成3D打印模型數(shù)據(jù)格式，如STL、OBJ、AMF或3MF等格式，以便傳輸給3D打印機做后續(xù)的處理。1．STL格式文件轉(zhuǎn)換誤差STL格式文件的本質(zhì)是用許多細(xì)小的空間三角形面片來逼近還原CAD實體模型，其主要的優(yōu)勢就在于格式簡單、表達(dá)清晰，文件中只包括相互銜接的小三角形面片的節(jié)點坐標(biāo)及其外法向量值。2．分層切片處理誤差分層切片處理誤差，是在對打印模型進(jìn)行分層切片處理時產(chǎn)生的誤差，屬于原理性誤差。分層切片處理一般是在CAD模型轉(zhuǎn)換成3D打印模型之后，通過預(yù)先設(shè)定好成型的方向及分層的厚度，在3D打印機上進(jìn)行計算處理的。數(shù)據(jù)處理誤差-切片的影響打印成型誤差打印成型誤差是指在3D打印時，由于打印機機械零部件精度、打印材料的熱脹冷縮及打印工藝等因素導(dǎo)致產(chǎn)生的誤差。

1．打印機本體誤差3D打印設(shè)備是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，其自身通常也會有一定的誤差，這是影響成型制品精度的原始誤差。設(shè)備自身誤差的改善應(yīng)該從其系統(tǒng)的設(shè)計和制造過程入手，通過提高設(shè)備本體的軟硬件質(zhì)量，來改善成型制品的精度。2．分層累積成型誤差

除了3D打印機的工作臺移動可能產(chǎn)生Z方向上的誤差外，打印材料在分層累積成型過程中還會產(chǎn)生分層材料熱脹冷縮產(chǎn)生的誤差、上下層輪廓約束產(chǎn)生的誤差、疊層高度的累積誤差。

3．打印工藝參數(shù)誤差打印工藝參數(shù)誤差是指對3D打印相關(guān)工藝參數(shù)選擇設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致出現(xiàn)的誤差。打印成型誤差后處理誤差后處理誤差是指在3D打印制品后處理階段產(chǎn)生的誤差。從3D打印機上取出已成型的制品后，往往需要剝離支撐結(jié)構(gòu)，有的還需要進(jìn)行后固化、修補、打磨、拋光和表面處理等，這些工序統(tǒng)稱為后處理。后處理誤差一般有制品去除支撐引起的誤差和熱表處理產(chǎn)生的誤差兩類。1．去除支撐引起的誤差在為打印完成的制品去除支撐時，可能會引起制品形狀的變化；有時因為人為等因素，還有可能會刮傷成型表面或其精細(xì)的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量。2．熱表處理產(chǎn)生的誤差由于成型工藝或制品本身在結(jié)構(gòu)、工藝性等方面的原因，成型后的制品內(nèi)總或多或少地存在殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力會由于時效的作用而全部或部分地消失，這也會導(dǎo)致零件變形，出現(xiàn)誤差。因此，設(shè)法減小成型過程中的殘余應(yīng)力，有利于提高零件的成型精度。后處理誤差-支撐的影響后處理誤差-火箭發(fā)電