1.4 工艺和技术

自从1983年开发了3D打印的快速成型技术之后，有多种不同的工艺和技术发展起来。所用的技术类型与使用材料共同决定了每一种打印机的性能，每种工艺各有千秋。总结起来，可以将3D打印技术分为两大家族：一类是黏合型，一类是沉积型。黏合型技术使用激光或黏合剂来实现；沉积型则通过喷头，喷射、挤压出材料之后，再放置、沉积而成型。

目前 3D 打印市场的两大龙头企业是：3D Systems 和Stratasys，就是分别代表了这两类不同的材料处理技术，它们分别叫做SLA和FDM。

1986年，查尔斯·尔开发出光固化技术（SLA：Stereolithography） ^【1】 ，之后由此成立了3D Systems公司。1989年，斯科特·克伦普（Scott Crump）开发出熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）技术 ^【6】 ，并依此设立了Stratasys公司。

SLA是最早开发的3D打印工艺，也是目前研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。

如图1-6左侧所示，将液体状态的光敏树脂放在一个大池子里，用氦-镉激光器或氩离子激光器发出的紫外线入射到液体的表面。最表面一层的光敏树脂在紫外线的照射下立即凝聚成固体。而激光器被计算机中的程序所控制，只逐行逐点地扫描该层中需要成型的部分。因而最后便在表面得到一片固化了的所需要的二维图形。这个过程完成之后，升降机带着已成型的部分自动下降一层的厚度，让新的液态光敏树脂浮上表面，因为树脂的黏度比较大，因而需要一个自动控制的刮板将树脂液面刮平。然后，紫外激光也得到新一层的扫描指令和数据，进行第二层的扫描移动而形成新一层的固体树脂层，并且同时刚好与前面一层的树脂紧紧牢固地结合成一体。之后，升降机再下降，刮板再将树脂液面刮平，激光又再扫描下一层，如此循环重复，直到整个所要求的形状的树脂三维物体经过层层扫描全部固化成型为止。

如今的计算机软件控制技术很容易做到“升降机下降，刮板移动，激光扫描”三者间的自动同步，因此，目前的SLA技术能以简单而高效率，并且全自动化的方式制造出精度比较高、形状复杂的三维物品。

SLA技术的缺点是只使用光敏树脂一类的材料，树脂是什么呢？树脂其实就是生产塑料制品的一种原材料。树脂的种类很多，有天然树脂，也有人造树脂。但是，如果限制在对紫外光敏感的树脂的话，那选择性可就不多了。因此，用于SLA技术的材料种类有限并且价格不菲。再则，需要使用激光器这点也使得SLA的工艺过程变得相对复杂一些。此外，液态的树脂有毒，光敏材料需要避光保存，固化后硬度较低、易碎等，这些不足之处使SLA技术的应用受到一定限制。

比较而言，Stratasys公司1989年开发的熔融沉积（或熔丝沉积）技术，因为不限制于利用物质的“光敏”性原理，所以不需要激光器，材料范围也广阔多了，可以是一般受热就能融化的热塑性材料。比如，可以使用蜡、人造橡胶、尼龙、可染色的ABS，医用ABS、polycarbonate（PC），polyphenylsulfone（PPSF）及其他热塑性材料均可。

熔融沉积技术也叫FDM ^【6】 ，其工作原理如图1-6右侧所示。热塑性丝状材料由供丝机构送到喷头，材料在喷头内被电阻丝加热器加热熔化。一般将材料加热到只比熔点高1度左右，以保证材料被喷出后能迅速固化成型。喷头在计算机程序的控制下，首先勾画出这一层二维图形的轮廓，然后再做平面扫描移动。在移动的同时将融化了的材料不停地挤出来。材料被挤在上一层材料的表面，迅速固化成型，并与上一层材料紧密结合在一起。每一层的扫描完成之后，工作台下降一层的距离，然后再重复以上的步骤制作新的一层直到整体成型完成为止。

大多数FDM打印机使用各种热塑性塑料，但广而言之，凡是可以从喷头挤压出来的软性物质材料都可以使用FDM 3D打印机。并且，“成型”一词也未必就一定意味着最后的产品要变成坚硬的固体。比如说，用3D打印制造生日蛋糕或巧克力产品就属于这类例子。

许多FDM打印机使用两个喷头，一个喷头喷出用以制造工件需要成型的材料，另一个喷头则喷出支撑材料。需要支撑材料的原因是因为有时候在上面几层的结构比下面层次的结构更大的情形下，容易产生塌缩而破坏成型的过程。被制作的零件如果有悬空的部分时，也需要支撑。一般使用水溶性的物质作为支撑材料，或者可以使用熔点比成型材料更低的物质做支撑材料，这样在后期处理时，可以很方便地利用物理化学的方式将支撑物质清除掉。比如，图1-7描述了3D打印成型后除去水溶性的支撑物的过程。

SLA和FDM两种技术基本上都是以树脂塑料类物质作为原材料。要想制造金属物品怎么办呢？需要另外一种叫做选择性激光烧结（SLS：Selective Laser Sintering） ^【7】 的快速成型工艺。因为SLS的工艺过程需要利用激光，将材料溶化后进行烧结，所以和SLA一样，是属于黏合型家族的技术。

选择性激光烧结技术是美国得克萨斯大学机械系的博士研究生戴克（C.Deckard）在1989 年，和他的指导教授Joe Beaman一起研制成功的。但实际上这个想法，却起源于1981年，当戴克还是一个大学二年级本科生的时候。戴克发明SLS的故事对年轻人颇具启发性，读读挺有意思的 ^【7】 。

美国德州盛产石油，当时，戴克得到一个机会，在一个与油井有关的机械制造工厂做暑期工作。该厂生产许多机械部件，诸如离心泵、冲击钻头、各种阀门等。那正是计算机辅助设计软件（CAD）刚开始起步的年代，CAD软件用以描述一个三维模型，计算机从这个模型帮助你设计加工程序。而实际铸件的形体，一般是由熟练的工匠按照二维机械图手工制造出来的。20岁的大学生将这一切看在眼里，记在心上，感觉这是对自己的一个挑战。因为他想：如果能够发明一种方法，直接从计算机的三维模型中，产生出铸件的形状，那该多好呀，一定会受到人们的欢迎。

这个想法一直盘旋在戴克脑海中，接下来的两三年，他都在思考这个问题。

用计算机控制而生成三维的物体不是那么容易的。对减材制造而言，1952年美国麻省理工学院开发的CNC机器实现了计算机控制机械的雏形；20世纪60、70年代，中国的机加工中开始使用俄国人发明的数控线切割机床生产模具，利用切割钨丝与模具之间的放电效应来切割金属，钨丝则在计算系统的指挥下做二维运动。但这样制造出来的形状只能是2.5维的，不是真正的三维形体。戴克立志要在计算机的控制下做出三维形体，而不是那种2.5维的！戴克意识到更方便的办法是要突破原来传统加工中使用的“减材”加工方法，想用减材法来自动生产，刀具的设计太困难了。如果使用“增材”的方法，就没有刀具的问题了，就像构造那种一层一层堆积起来的“沙画”一样，堆起来成为三维形体。因为类似于沙画，所以戴克想象中的制造过程应该是用粉末状的材料。一开始戴克考虑用两种粉末，比如说，一种糖，一种盐，需要成型的部分铺上糖，不需要的部分就铺上盐。经过短暂的思考之后，戴克认识到两种粉末不是一个好办法，还不如用一种粉末，而将需要的部分用某种强大的能量束（热或激光）将粉末溶化粘接起来。

如上所述，到了戴克读完大学本科的那一年，SLS的思想已经基本在他脑中成形了。这时他碰到了在德州奥斯汀大学机械系做助理教授的Joe Beaman。比曼教授看到了这个年轻人想法的前景，以及潜在的巨大市场，决定找经费来帮助他实现这项研究，并同时招戴克为他的硕士生。过了一年多，戴克又继续在比曼的指导下攻读博士学位。研制成功了SLS技术之后，他们又组建了DTM公司。目前，DTM公司已被3D Systems公司收购。

如图1-8左侧所示，SLS工艺是利用粉末状材料成型。粉末供给机上的滚筒将材料粉末均匀铺洒在已成型零件的上表面，并刮平。然后，高强度的CO ₂ 激光器在粉末层上扫描需要成型的二维图形，使得图形内部的材料粉末被烧结溶化，并与下面已成型的部分紧密连接在一起。这一层完成后，滚筒再铺上新的一层粉末材料，扫描烧结新一层的截面。如此循环往复直到工件完成。

SLS技术可以使用的材料很广泛，可以是金属、塑料或陶瓷。但它的主要优势和潜力是能制造各种高强度的金属物品。此外，SLS的制造时间比较短，也无须设计和构造支撑结构，或使用另一种支撑材料，因为未烧结部分的粉末就构成一种自我支撑。这些未烧结的粉末下一次还可以继续使用。

其缺点是费用较高，一般需要专门的实验室环境，此外，在加工之前，要将粉末预热，3D打印完成之后需要冷却，虽然打印的时间不长，但花费的总时间却很长。

1990年左右，Helisys的Michael Feygin发明了LOM（Laminated Object Manufacturing）3D打印技术。它听起来似乎在原理上最简单，但所用的材料及应用范围也很有限，据说因此已经逐渐走向没落阶段。然而，世事难料，没准什么时候某种有关的新技术又会使它起死回生，因此也在这里介绍下，让大家有所了解。

如图1-8左侧所示，LOM，或称分层实体制造，是将材料预先制成能放置于卷筒上的薄片状，或利用原来就是薄片的材料，诸如纸张或塑料片之类的。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。打印时，用CO2激光器在片材上切割出零件截面的轮廓，经过热压辊热压，使之与下面已成型的工件粘接起来。然后，升降台带着成型部分下降，切割后的剩余部分随转动机构移动到右边的收料卷筒上，同时将新一层的片料移到工作位置，进行新一层的热压粘接和切割，直至得到分层制造的实体零件。

LOM技术的特点是只需要用激光切割二维图形的边缘轮廓，不需要逐行逐点地进行扫描。但因材料只限于纸和塑料，因而应用有限。

1989年，美国麻省理工学院机械系的教授Emanuel Sachs等人研制的三维印刷（3DP），或称高速多彩的快速成型工艺，与SLS技术类似，3DP使用粉末材料。但它不用激光来融化烧结，而是结合现在二维打印机的喷墨技术，因此被认为是最名副其实、最接近2D打印机的“3D打印”技术。不过，在3DP中使用的喷头，喷出的不是油墨，而是某种黏合剂。打印材料则可使用各种粉末，比如陶瓷粉末、塑料粉末、金属粉末等。这种技术的优点在于制作速度快，价格低廉，然而成品的强度比较低。

3DP技术的原理如图1-9所示，基本思想是粉末供给机撒一层粉末，喷头喷出一层黏合剂，其他如升降机、喷头的计算机控制扫描等类似其他技术过程，不再赘述。