2.2 3D打印机的工作原理和家族

3D打印，又称快速成型（RP，Rapid Prototyping）、增材制造（AM，Additive Manufacturing），是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏结材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在将3D数字化模型输出到3D打印机之前，需要对3D模型进行分层，切成数百上千个薄层，这相当于高等数学里的微分操作。然后将描述这些薄层的数字化文件输出到打印机，3D打印机逐层打印出来，这又相当于高等数学里的积分操作，直到将整个形状叠加成型。

2.2.1 3D打印机的工作原理与流程

3D打印采用分层加工、叠加成型，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术（如用机床切削）完全不同。之所以称之为“打印机”，是因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似，组成上也都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等构成的。

说得简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体，如图2-4所示。在3D打印时，软件通过计算机辅助设计技术（CAD）完成一系列数字“ 切片 ” （Slice） ，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，然后将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

传统的“去材加工”机床是在做“减法”（ 减材成型 ），也即通过切、削、车、铣、磨等工艺将一块物料上不需要的地方去掉，但这就存在着“伸不进、够不着”的问题，因此不能加工任意复杂的中空形状，而且去掉的物料也被浪费掉了。作为对比，3D打印这种一层一层堆积起来做“加法”的工艺（ 增材成型 ）具有如下优点：不需要刀具、模具，所需工装、夹具大幅度减少；生产周期大幅度缩短；可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构；材料利用率大幅度提高。因此，3D打印特别适合于复杂结构的快速制造、个性化定制、高附加值的产品制造。同时，由于可以生成任意复杂的产品形状，因此在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，而无须考虑加工问题，解决了复杂精细零部件的设计和制造难题。

提示： 因为3D打印有X、Y、Z这3个空间维度，所以满足所谓的“三次方增加规律”。比如物品的每个维度（长、宽、高）都增大到2倍，则体积将增大到2 ³ =8倍！也即从时间、材料到成本的需求数量都是呈指数增长的，有时甚至能达到三次方增长。所以说，如果我们需要2倍大的东西，那么就得花8倍的时间、花8倍的材料、花8倍的钱来打印。

3D打印的主流技术包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。比如，FDM是把塑料熔化成半融状态拉成丝，用线来构建面，一层一层堆起来；而光固化SLA是把本来液态的光敏树脂，用紫外激光照射，照到哪儿，哪儿就从液态变成了固态。SLS和SLA理论上是一样的，不同的是SLS用激光去烧结粉末，如尼龙粉、金属粉等。

下面，我们就对各种主流3D打印技术做一个通俗易懂的介绍。

2.2.2 FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造）

FDM（Fused Deposition Modeling），熔融沉积成型。因为FDM已被Stratasys注册商标，所以其他厂商将其改称为熔丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF）、塑料喷印（PJP）、熔丝建模（FFM）等。该工艺属于“丝材挤出热熔成型”这一大类。

FDM技术是20世纪80年代时Scott Crump发明的。在获得该项技术的专利后，他于1989年建立了Stratasys公司。FDM的技术原理是，如图2-5所示，将丝状（直径约2mm）的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6 mm），材料以一定的压力挤喷出来，同时喷头沿水平方向移动，挤出的材料与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台垂直下降一个层的厚度，再继续熔融沉积，直至完成整个实体造型。FDM工艺使用两种材料：一种是制作实体部分的成型材料；另一种是支撑材料，以防空腔或悬臂部分坍塌。

形象地说，FDM的原理就像蚕吐丝或挤牙膏那么简单，且无须激光系统，因而价格低廉。现在市场上的桌面级3D打印机（如RepRap、Ultimaker、MakerBot）大多数采用这种工艺，最便宜的不到1万元即可买到。FDM使用的丝状耗材以及打印案例如图2-6所示。

FDM技术的优点如下。

√ 操作环境干净、安全，可在办公室环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险。

√ 无须激光器等贵重元器件，工艺简单、干净、不产生垃圾。

√ 原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

√ 材料利用率高，且可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PLA、PC、PPSF等。

√ 由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用伽马射线消毒，特别适用于医用。

FDM技术的缺点如下。

×成型后表面粗糙，需配合后续抛光处理，目前不适合高精度的应用。做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度只能为0.1mm。

×尺寸不能很大，因为材料本身原因限制，尺寸大了很容易变形。

×速度较慢，因为它的喷头是机械的。

×此外它还需要浪费材料来做支撑。

提示： 在成型过程中，丝材经小孔挤出时，喷嘴喷出的熔丝会在出口区域形成“膨化现象”，也即填充的实际轮廓线要超出理论轮廓线。具体地，挤出丝的实际 线宽w 同时受到喷嘴直径 d 、分层厚度δ、挤出速度 v _e 、扫描速度 v _s 等多方面因素的影响，根据流入/流出体积守恒的原理（假设不考虑材料收缩），可知：

w =（ v _e π d ² ）/（4 v _s δ）

由上式可见，若扫描速度 v _s 不变， 随着挤出速度v _e 的增大，线宽w逐渐增大 。特别是当挤出速度超出一定范围后，挤出丝就会黏附在喷嘴的外表面，从而影响打印。因此，扫描速度须与挤出速度相匹配。根据经验，线宽 w 一般设置为喷嘴直径的1.3～1.6倍。此外，3D打印与传统加工方法相比，具有微观非均匀性及层性、各向异性、性能蠕变等特性，因此理论研究涉及材料力学、弹性力学等领域。比如，我们要研究3D打印零件的变形，则需考虑层内 应力—应变分布 、层间应力—应变分布等方面。以层内应力分析为例，复合材料理论认为：固化物可视为弹性体，因此当应力低于弹性极限时，其应力—应变关系满足 广义胡克定律 ，也即应变分量是应力分量的线性函数，

上式简写为：

Γ = SΦ

其中 Γ 为 应变矩阵 ； S 为 柔度矩阵 ，其逆矩阵称为刚度矩阵， S _ij （ i ， j =1，2，…6）代表弹性体的弹性系数，也即单位力作用下产生的变形量； Φ 为 应力矩阵 。

2.2.3 3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积）

3DP（Three Dimensional Printing and Gluing），三维打印黏结成型、喷墨沉积，也被称为黏合喷射（Binder Jetting）、喷墨粉末打印（Inkjet Powder Printing）。该工艺属于“液体喷印成型”这一大类。

工艺类似于传统的2D喷墨打印机，是最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。最早由美国麻省理工学院（MIT）于1993年开发。该技术利用喷头喷黏结剂，选择性地黏结粉末来成型。如图2-7所示，首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。如此层层叠加，从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕。然后把未固化的粉末清理掉，得到一个三维实物原型，成型精度可达0.09mm。因为石膏成型品十分易碎，因此后期还可采用“ 浸渍 ”处理，比如采用盐水或加固胶水（Z-Bond、Z-Max等），使之变得坚硬。

与2D平面打印机在打印头下送纸不同，3D打印机是在一层粉末的上方移动打印头，并打印横截面数据。彩色3D打印机打印成型的样品模型与实际产品具有同样丰富的色彩。ZCorp公司（现已被3D Systems公司收购）使用3DP打印技术开发了Zprinter产品系列。3DP的打印案例如图2-8所示。

3DP技术的优点如下。

√ 无须激光器等高成本元器件。成型速度非常快（相比于FDM和SLA），耗材很便宜，一般的石膏粉都可以。

√ 成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。

√ 此技术最大优点是能直接打印彩色，无须后期上色。目前市面上打印彩色人像基本采用此技术。

3DP技术的缺点如下。

×石膏强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。

×因为是粉末黏结在一起，所以表面手感稍有些粗糙。

提示： 除了3DP（黏结剂+石膏粉），还有其他的黏结剂喷射技术，比如3D砂型铸造、黏结剂喷射金属打印、黏结剂喷射陶瓷打印、黏结剂喷射玻璃打印等，采用的都是类似的原理，只不过选择的原材料不同。

2.2.4 SLS：选择性激光烧结

SLS（Selective Laser Sintering），选择性激光烧结、选区激光烧结。该工艺属于“粉末/丝状材料高能束烧结或熔化成型”这一大类。

该工艺由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS与3DP相似，也是采用粉末材料，但一般都为金属粉末、陶瓷粉末等。此外，不像3DP通过喷头喷黏结剂来黏结，而是通过烧结来黏结。具体地，如图2-9所示，SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制，层层堆结成型。首先铺一层粉末材料，并刮平。将材料预热到接近熔化点，再使用高强度的CO2激光器有选择地在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成黏结，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。

SLS在市场上采用得比较多，因为它和工业结合得很紧密，而且使用的材料最广泛，理论上讲几乎所有的粉末材料都可以打印。像铸造行业对精度要求没那么高，SLS打印出来的精度足够了，与精密铸造工艺相当。SLS可以直接打印一些小的金属件，如首饰、小的金属模具等。SLS的打印案例如图2-10所示。

SLS技术的优点如下。

√ 成型材料广泛，包括高分子、金属、陶瓷、砂等多种粉末材料。

√ 零件的构建时间较短，可达到1 inch/h速度。

√ 所有没用过的粉末都能在下一次打印中循环利用。所有未烧结过的粉末都保持原状并成为实物的支撑性结构，因此这种方法不需要任何其他支撑材料。相比之下，FDM、SLA等工艺则需要支撑结构。

√ 此技术最主要的优势在于金属成品的制作，其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具以及进行小批量零件生产。

SLS技术的缺点如下。

×粉末烧结的表面粗糙（精度为0.1～0.2mm），需要后期处理。在后期处理中难以保证制件尺寸精度，后期处理工艺复杂，样件变形大，无法装配。

×无法直接成型高性能的金属和陶瓷零件，成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。

×在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5～10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。

×由于使用了大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域，而尚未有桌面级SLS打印机开发的消息。

×需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。该工艺产生有毒气体，污染环境。

还有一种跟SLS原理相似的工艺名为SHS（Selective Heat Sintering： 选择性热烧结 ），如图2-11所示。不同之处在于SHS采用的是热打印头而非高强度的激光，耗材为热塑性粉末而非金属粉末，因此是一种相对廉价的方案，可被用于桌面级打印。

除了SLS，金属打印还有SLM、DMLS、LENS、EBM、EBDM，详细介绍请移步本章2.4节。

2.2.5 SLA：光固化立体成型（立体光刻）

SLA（Stereo Lithography Appearance），光固化立体成型、立体光刻、立体平板印刷，有时也简称SL。该工艺属于“液态树脂光固化成型”这一大类。

提示： SLA用的激光与SLS用的激光不同。SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光。SLA的耗材一般为液态的光敏树脂，而SLS的耗材一般为塑料、蜡、陶瓷、金属粉末。

世界上第一台3D打印机采用的就是SLA工艺！这项技术由Charles W.Hull发明，他由此于1986年创办了3D Systems公司。技术原理：如图2-12所示，树脂液槽中盛满透明、有黏性的液态光敏树脂，紫外激光束经快速转动着的反射镜（即 振镜 ）对树脂进行照射，使之快速固化。具体地，在成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度。之后，聚焦的激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

SLA的材料是液态的，不存在颗粒的东西，因此可以做得很精细。不过它的材料要比SLS贵很多，所以它目前主要用于打印薄壁的、精度要求较高的零件。适合于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模。SLA的打印案例如图2-13所示。

SLA技术的优点如下。

√ 光固化成型法是最早出现的快速成型制造工艺，成熟度最高，经过时间的检验。

√ 成型速度较快，系统工作相对稳定。

√ 可以打印的尺寸也比较可观，在国外有可以做到2m的大件，关于后期处理特别是上色都比较容易。

√ 尺寸精度高，可以做到微米级别，比如0.025mm。

√ 表面质量较好，比较适合做小件及较精细件。

SLA技术的缺点如下。

×SLA设备造价高昂，使用和维护成本过高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。

×成型件多为树脂类，材料价格贵，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。

×这种成型产品对贮藏环境有很高的要求，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。

×光敏树脂对环境有污染，会使人体皮肤过敏。

×需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

2.2.6 PolyJet：多头喷射技术（Material Jetting：材料喷射）

PolyJet技术是由以色列Objet公司（现已并入Stratasys公司）发明并申请专利的，速度比SLA更快。该工艺属于“液体喷印成型”和“液态树脂光固化成型”这两大类的结合体。

打印过程像喷墨打印机一样一层一层地喷树脂，如图2-14所示，同时用紫外线灯快速固化，树脂分为支撑材料和模型材料，产品做成后可轻易地冲洗掉支撑材料产品。样品精度最高可达到16mm。Objet的3D打印系统系列可为办公室环境的设计师和工程师们提供高分辨率的快速原型制作。缺点是树脂材料的强度较低。

此外，如果搭配FullCure720耗材，可实现透明的琥珀色效果。Objet最新的PolyJet Matrix技术，还可以支持多种型号材料（多种颜色）同时喷射。PolyJet工艺的打印案例如图2-15所示。

2.2.7 DLP：数字光处理

DLP（Digital Light Processing，数字光处理技术）也属于“液态树脂光固化成型”这一大类，数字光处理技术和SLA光固化成型技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物的，逐层地进行光固化，如图2-16所示。由于每次成型一个面，因此在理论上速度也比同类的SLA快很多。

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。DLP工艺的打印案例如图2-17所示。

DLP利用投射原理成型，无论工件尺寸大小都不会改变成型速度。此外，DLP不需要激光头去固化成型，取而代之是使用成本极为便宜的灯泡照射。整个系统并没有喷射部分，所以并没有传统成型系统喷头堵塞的问题出现，大大降低了维护成本。DLP技术最早由德州仪器开发，目前很多产品也是基于德州仪器提供的芯片组。

ZCorp公司使用DLP技术开发了ZBuilder产品系列，使得工程师能够在产品大规模生产前验证设计的形状、匹配和功能，从而避免成本高昂的生产模具修改和缩短上市时间。

有一个好消息是，国外一名叫Tristram Budel的创客发布了一款开源的高分辨率DLP 3D桌面打印机（如图2-18所示），所有技术细节都免费共享。此外，美国创客Michael Joyce发起的B9Creator开源项目目前在市场上获得了较大的成功。

提示： 除了SLA和DLP，还有一种也是选择性固化液体的3D打印技术： 双光子光刻（2PP） ，效果图片见第1章1.1节。这是一种纳米级的3D打印技术，未来可能会成为主流的3D打印形式。如果说传统的光固化技术可以达到微米级别，比如0.025mm，那么2PP则可达到 纳米级别 ，所有轴的分辨率都达到了0.000 1mm，也即精准了250倍，所打印出的物品比细菌还要小。同时，2PP打印速度极快，每秒可打印几米的物体。

2.2.8 LOM：分层实体制造

LOM（Laminated Object Manufacturing），分层实体制造。该工艺属于“片/板/块材黏接或焊接成型”这一大类。

LOM是一种薄片材料叠加工艺，出现于1986年，由Helisys公司提出。如图2-19所示，利用激光或刀具切割薄层纸、塑料薄膜、金属薄板或陶瓷薄片等片材，非零件区域切割成若干小方格，便于后续去除。然后通过热压或其他形式层层黏结，叠加获得三维实体零件。可以看出，LOM工艺还有传统切削工艺的影子，只不过它已不是对大块原材料进行整体切削，而是先将原材料分割为多层，然后对每层的内外轮廓进行切削加工成型，并将各层黏结在一起。

LOM适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短。使用小功率CO2激光器价格低、使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性（激光切割能使纸张边缘轻微变成棕色），特别适合于直接制作砂型铸造模。LOM原理图和打印案例如图2-20所示。

LOM技术的优点如下。

√ 成本低；因为没有涉及化学反应，所以零件可做得很大。

√ 仅切割内外轮廓，内部无须加工，所以这是一个高速的快速成型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。

√ 不存在收缩和翘曲变形，无须设计和构建支撑结构。

LOM技术的缺点如下。

×不能制造中空结构件。难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。

×比较浪费材料。可实际应用的原材料种类较少，如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸。

×Z轴精度比SLA低，精度可达0.1mm；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。

×需要专门实验室环境，维护费用高昂。当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。 dObjVgGA6JB4g9OVCODNYtPu0nSsNCBtz4RTgEjaIvUm+9b87Yk3HdfvlDEAdl2U