下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
熔融沉积又叫作熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热熔化，通过一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料熔化后从喷嘴喷出，沉积在工作台上的制作面板或者前一层已固化的材料上，通过材料的层层堆积形成最终成品。类似于糖画艺人将加热过的糖浆用勺子按照预先想好的图案浇到平面上。而熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）原理打印机的喷嘴就是糖画艺人的锅和勺子。喷嘴以上的机械部分负责控制喷嘴的位置，即决定喷嘴的坐标；糖画只有单独的一层，而FDM工艺是从下到上逐层打印很多层，如图1-11所示。
在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此是在家用桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表，如图1-12所示。
图1-11 FDM原理
图1-12 Stratasys工业级3D打印机
与其他3D打印技术相比，FDM打印出的产品可耐受一定的温度和腐蚀性化学物质，并可抗菌和抗一定的机械应力，用于制造概念模型和功能原型，甚至直接制造出零部件和生产工具。FDM使用的材料是易于熔化的固体，如某些类型的塑料、巧克力等。
FDM的优势在于制造简单、成本低廉，但是桌面级的FDM 3D打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.2～0.3mm级别，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，成品效果还是不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的条纹“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。
光固化成型技术主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。光固化成型技术是最早发展起来的RP，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的RP之一。光固化成型技术的优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作结构复杂的原型。
光固化成型技术主要包括三种技术路线：其一是美国3D Systems开发并实现商业化的光固化成型技术（SLA）；其二是德国Envision TEC公司在数字光处理的基础上开发的DLP 3D打印技术；其三则是由以色列Objet公司开发的聚合物喷射技术（PolyJet）。
SLA通过特定波长与强度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成一个层截面的绘制工作。这样层层叠加，完成一个三维实体的打印工作。
SLA的主要优点是，由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无须切削工具与模具；成型精度高（在0.1mm左右），表面质量好。同时，SLA的主要缺点为：SLA的系统造价高昂，使用和维护成本相对过高；工作环境要求苛刻；耗材为液态树脂，具有气味和毒性，需密闭，同时为防止提前发生聚合反应，需要避光保护；成型件多为树脂类，使得打印成品的强度和耐热性有限，不利于长时间保存。
用于SLA技术比较成熟的材料主要有以下四个系列：
1）Ciba（瑞士）公司生产的CibatoolSL系列。
2）Dupont（美国）公司生产的SOMOS系列。
3）Zeneca（英国）公司生产的Stereocol系列。
4）RPC（瑞士）公司生产的RPCure系列。
图1-13所示为用DSM Somos光敏树脂打印的制品。
图1-13 用DSM Somos光敏树脂打印的制品
DLP是光固化成型技术中的一种，最早由德州仪器开发，被称为数字光处理快速成型技术。DLP使用一种较高分辨率的数字光处理器来固化液态光聚合物，逐层对液态聚合物进行固化。
DLP与SLA光固化成型技术比较相似，工作原理都是利用液态光敏树脂在紫外光照射下固化的特性。市面上DLP主要成型紫外光波段为405nm及365nm。大部分材料都是以光敏树脂为基材进行改性处理，配置出不同性能，如具备铸造性能、短时间耐高温和力学性能好的特点，并且根据需要选择合适的颜色配比，透明度也可以根据实际情况进行调整。区别在于，DLP一次成型一个面，而SLA只可以成型一个点，再由点到线、由线到面进行固化，故DLP比SLA要快。二者本质的差别在于照射的光源，SLA采用激光点聚焦到液态光聚合物，而DLP成型技术是先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来固化光聚合物。DLP具备一次成型的能力，如果打印机的构建区域可以容纳10个部件，则这10个部件可以同时构建，如图1-14所示。
图1-14 同时构建多个模型
PolyJet是由以色列Objet公司（于2012年并入Stratasys公司）在2000年初推出的专利技术。PolyJet打印技术与传统的喷墨打印机类似，由喷头将微滴光敏树脂喷在打印底部上，再用紫外光层层固化。
对比SLA打印技术，其使用的激光光斑为0.06～0.10mm，打印精度远高于SLA。在打印光敏树脂的同时，可以使用水溶型或热熔型支撑材料。而SLA/DLP的打印材料与支撑材料来源于同一种光敏树脂，去除支撑时容易损坏打印件。
PolyJet可以使用多喷头，可以实现不同颜色和不同材料的打印。PolyJet使用的光敏聚合物多达数百种。制造商Objet提供的工业级3D打印机超过123种感光材料。从橡胶到刚性材料，从透明材料到不透明材料，从无色材料到彩色材料，从标准等级材料到生物相容型材料，以及用于在牙科和医学行业进行3D打印的专用光敏树脂，如：
1）数字材料，可以即时创建数百种复合材料。
2）数字ABS材料，模拟高强度和耐高温材料。
3）高温材料，集耐热功能性与尺寸稳定性于一身。
4）透明材料，用来3D打印透明件、着色模型和原型。
5）刚性不透明材料，使用明亮的色彩进行3D打印。
6）类聚丙烯材料，模拟聚丙烯的外观和功能。
7）类橡胶材料，可以打印数百种色彩和属性的柔性材料。
8）生物相容型材料，适合医疗和牙科应用的3D打印材料。
图1-15所示为Polyjet 3D打印机的打印作品。
图1-15 Polyjet 3D打印机的打印作品
Polyjet的优点为：打印精度高，高达16μm的层分辨率和0.1mm的精度，可确保获得光滑、精准部件和模型；清洁，适合于办公室环境，采用非接触树脂载入/卸载，支撑材料的清除很容易；打印速度快，得益于全宽度上的高速光栅构造，可实现快速的打印，并且无须二次固化；用途广，由于打印材料品种多样，可适用于不同几何形状、力学性能及颜色的部件。此外，所有类型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地变换材料，如图1-16所示。
图1-16 Objet 3D打印机
Polyjet的缺点是：需要支撑结构，耗材成本相对较高。与SLA一样均使用光敏树脂作为耗材，但价格比SLA高；成型件强度较低，PolyJet需要特别研发的光敏树脂，成型后的工件强度、耐久性都不是太高。
PolyJet应用广泛，在航空航天、汽车、建筑、军工、商业品、消费品和医疗等行业具有很好的应用前景。
光固化快速成型技术也有不足，光敏树脂原料有一定毒性，操作人员使用时需要注意防护，其次光固化成型的原型在外观方面非常好，但强度方面尚不能与模具制成品相比，一般主要用于原型设计验证方面，然后通过后续处理工序将原型转化为工业级产品。此外，光固化技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM。光固化3D打印机的详细介绍参见第5章DLP光固化3D打印机基础知识。
三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）技术又可以分为热爆式三维打印（代表：美国3D Systems公司的Zprinter系列——原属ZCorporation公司，已被3D Systems公司收购）和压电式三维打印（代表：美国3D Systems公司的ProJet系列和被Stratasys公司收购的以色列Objet公司的三维打印设备）。
3DP技术由美国麻省理工学院开发成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末和塑料粉末等，3DP技术的工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将黏合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂和粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。
3DP技术的优势在于成型速度快，无须支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。3DP技术的典型设备是3D Systems旗下Zcorp的Zprinter系列，也是3D照相馆使用的设备，Zprinter的z650打印出来的产品最大可以输出39万色，色彩方面非常丰富，也是在色彩外观方面，打印产品最接近成品的3D打印技术，如图1-17所示。
图1-17 Zprinter z650
使用3DP可以打印金属，这种技术被ExOne公司商业化。ExOne公司制造的产品材料包括金属、石英砂和陶瓷等多种工业材料，其中金属材料以不锈钢为主。当利用3DP技术制造金属零件时，金属粉末被一种特殊的黏合剂所粘合而成型，然后从3D打印机中取出，放到熔炉中烧结得到金属成品。
另外一种技术利用3DP制作金属模具，砂模铸造成型是一种间接制造金属产品的方式。利用3DP技术将铸造用砂制成模具，之后便可用于传统工艺的金属铸造。专门用3DP技术生产模具的公司是德国的VoxelJet，VoxelJet生产的设备能够用于铸造模具的生产。
3DP技术也有不足，首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如光固化光洁，精细度也有劣势，所以一般为了生产拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前3DP技术主要应用在专业领域，我国不少塑像馆采用这种技术3D打印人像。
选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）又称为选区激光烧结技术，该工艺由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。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。SLS同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。这种技术才是工业上经常提到的3D打印。
SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸酯（Poly Carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无须考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造的型壳、型芯，蜡型可做成蜡模，热塑性材料烧结的模型可做成消失模。
激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列，如图1-18所示。
图1-18 德国EOS的M系列设备
激光烧结技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷，首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本外，还需要很多辅助保护工艺，在成型的过程中把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间，一般设备要有单独的办公室放置。另外成型后的产品是一个实体，一般不能直接装配进行性能验证。另外，产品储存时间过长后会因为内应力释放而变形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。运营成本较高，设备费用较贵。能耗通常在8000W以上。
因为整体技术难度较大，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，要进入普通民用领域，还需要一段时间。
由德国Froounholfer研究院于1995年首次提出，SLM的工作原理与SLS相似。SLM是将激光的能量转化为热能使金属粉末成型，其主要的区别在于，SLS在制造过程中金属粉末并未完全熔化，而SLM在制造过程中金属粉末加热到完全熔化后成型；SLM不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比SLS要好；然而因为SLM没有热场，它需要将金属从20℃的常温加热到上千度的熔点，这个过程需要消耗巨大的能量。
目前，SLM主要应用在工业领域，在复杂模具、个性化医学零件、航空航天和汽车等领域具有突出的技术优势。
SLS的重要分支，利用SLS制造金属零部件，通常有两种方法，其一为间接法，即聚合物覆膜金属粉末的SLS；其二为直接法，即DMLS。与间接SLS相比，DMLS工艺最主要的优点是取消了昂贵且费时的预处理和后处理工艺步骤。
DMLS的材料主要包括自熔性合金粉末、碳化物复合粉末、自黏结复合粉末和氧化物陶瓷粉末等。目前DMLS主要用于受损零件的修复，可对大型转动设备重要零部件，如轴、叶片、轮盘、曲轴、泵轴、齿轴以及模具、阀门等进行腐蚀、冲蚀和磨损后的激光熔覆修复。
EBM是一种金属增材制造技术，最早由瑞典Arcam公司研发并取得专利。EBM的工作原理与SLM相似，都是将金属粉末完全熔化后成型。其主要区别在于SLM是使用激光来熔化金属粉末，而EBM技术是使用高能电子束来熔化金属粉末。
EBM的材料一般为多金属混合粉末合金材料，如目前主流的Ti6Al4V、钴铬合金和高温铜合金等。这些材料具有自己独有的一些特征，如高温铜合金具有高相对强度、潜在的用于高热焊剂的应用、极好的升高的温度强度、极好的热传导性、好的抗蠕变性等。目前已经商业化应用的EBM材料有：CoCrMo合金、纯铜、纯铁、316L不锈钢、H13工具钢、金属铌、镍基合金、纯钛、钛合金和TiAl基合金。
EBM技术可用于模型、样机的制造，也可用于复杂形状金属零件的小批量生产。EBM技术可广泛应用于航空航天及工业领域的轻量化整体结构、高性能复杂零部件的制造（如制造起落架部件和火箭发动机部件等），以及医疗领域多孔结构骨科植入物的制造。EBM技术还能够制造传统加工方法难以制造的金属材料，如常用于航空发动机的高温合金。
近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。LENS通过激光在沉积区域产生熔池并持续熔化粉末或丝状材料而逐层沉积生成三维物件。LENS技术由美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）于20世纪90年代研制，随后美国Optomec公司将LENS技术进行商业开发和推广。
LENS技术主要用于打印比较成熟的商业化金属合金粉末材料，包括不锈钢、钛合金和镍基合金等。
LENS技术可以实现金属零件的无模制造，节约成本，缩短生产周期。同时该技术解决了复杂曲面零部件在传统制造工艺中存在的切削加工困难、材料去除量大和刀具磨损严重等一系列问题。LENS技术是无须后处理的金属直接成形方法，成形得到的零件组织致密，力学性能很高，并可实现非均质和梯度材料零件的制造。
LENS技术主要应用于航空航天、汽车和船舶等领域，用于制造或修复航空发动机和重型燃气轮机的叶轮叶片以及轻量化的汽车零部件等。LENS技术可以对磨损或破损的叶片进行修复和再制造，从而大大减少叶片的制造成本，提高生产效率。
层叠实体制造又称为分层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）或薄形材料选择性切割，最早由Michael Feygin于1984年提出关于LOM的设想，并于1985年组建了Helisys公司（后为Cubic Technologies公司），后来在1990年推出第一台商业机LOM-1015，成功将该技术商业化。LOM技术是当前世界范围内几种最成熟的快速成型制造技术之一，一些改进型的LOM 3D打印机能够打印出媲美二维印刷的色彩，因此受到了人们的关注。
LOM技术的成型原理为，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的片材进行切割。切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再次重复进行切割。通过逐层地粘合、切割，最终制成三维物件。目前，可供LOM设备打印的材料包括纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜或复合材料等。LOM工艺具有传统切削工艺的影子，不用大块原材料进行切割，而是将原来的零部件模型分割成多层，然后进行逐层切割。尽管LOM工艺支持多种材料，但市面上大多使用涂有热敏胶的纤维纸作为其原材料，因此在打印完成后都需要使用砂纸进行磨光，并用密封漆来进行防潮处理，否则打印物件容易受到水分渗透影响。
目前普遍来说，LOM打印技术的优点主要有以下几个方面：
1）成型速度较快。由于LOM无须打印整个切面，只需要使用激光束将物体轮廓切割出来，所以成型速度较快，常用于加工内部结构简单的大型物件。
2）成本低。因为没有涉及化学反应，所以可以满足大型物件的制作，不存在收缩和翘曲变形，无须设计和构建支撑结构。
3）精度较高。制件在Z方向的精度可达0.2～0.3mm，X和Y方向的精度可达0.1～0.2mm。
LOM的缺点也非常显著，主要体现在：LOM技术能成熟使用的材料相比FDM设备要少很多，导致打印出的最终产品在性能上仅相当于高级木材，受原材料限制，成型件的抗拉强度和弹性较差；不能制造中空结构件。难以构建精细形状的物件，仅限于结构简单的物件。
后处理工艺烦琐，原型易吸湿膨胀，需进行防潮等处理流程；Z轴精度受材质层厚决定，难以直接构建精细的物件。需要专门的实验室环境，且维护费用高昂。
由于LOM技术本身的缺陷，应用的行业也比较狭窄。目前多用于以下几个领域：
1）直接制作纸质或薄膜等材质的功能制件，用在新产品开发中的外观评价、结构设计验证。
2）通过真空注塑机制造硅橡胶模具，试制少量新产品。
3）快速制模，包括铸造用金属模具、铸造用消失模和石蜡件的蜡模等。
2014年惠普公司推出的3D打印技术：多射流熔融技术（MultiJet Fusion，MJF）。同时还推出了全球首个独一无二的浸入式计算平台“Sprout”，使得3D设计也向前迈了一大步。“Sprout”集成了3D扫描仪、深度传感器、高分辨率摄像头和投影仪，用户可以很方便地将一个实体的物品物理项目随时加入现有的数字工作空间中。人们可以很直接地把自己的作品、工作和项目3D化，如图1-19所示。
图1-19 “Sprout”平台
惠普所用的为MJF技术，其成形步骤如下：
1）铺设成形粉末。
2）喷射熔融辅助剂（Fusing Agent）。
3）喷射细化剂（Detailing Agent）。
4）在成形区域施加能量使粉末熔融（喷射细化剂的区域并没有被熔融）。
重复1）～4）步骤，直到所有的层片成形结束。图1-20所示为MJF全套设备。
图1-20 MJF全套设备
MJF速度快，超过普通技术的10倍。以打印齿轮为例的速度对比，同样耗费3h，惠普MJF足足打印出了1000个，远超过FDM以及SLS。
打印件质量高，打印一个椭圆形结构，只用了30min，重1/4 lb（约113g），却可提起最高5t的质量，足可以吊起一辆汽车；打印精度高，打印机喷头可以达到1200dpi的精度，考虑到粉末的扩散，在XY方向的精度可以达到约40μm。
但是由于技术的发展，暂时也有一定限制：
1）材料限制。现在可用材料为尼龙12（PA12），而更多可用材料取决于HP对于细化剂的开发；金属器件的打印无法使用一体机，因为直接在设备内部进行烧结/熔融需要的高温会影响电子器材包括喷头的运行。
2）材料污染。在喷射了细化剂的区域，粉末并没有被烧结，有可能造成粉末的污染（因为这些喷射了细化剂的粉末如果被后续用在成型区域不会被熔融）。
3）颜色限制。HP所用的熔融辅助剂包含了可以吸收光波的物质（可能为炭黑等深色材料），因而所展示的样品为深色；而打印白色等浅色可能会降低能量吸收率，从而增加成型时间，有可能导致无法成型；对于全彩器件的打印，同时需要考虑色素的耐高温能力。
综上，可以用表1-1来描述当今常见的3D打印技术及匹配材料。
表1-1 3D打印技术及匹配材料
不同3D打印设备价格差异很大，桌面级别和工业级别差异也非常大。
1）FDM。FDM的国产设备约1000～10万元，所需要的打印材料约50～200元/kg；进口设备约1万～70万元，进口的打印材料约300～1000元/kg。
2）光固化。
国产桌面设备约2万～10万元，打印材料约400～1000元/kg。
国产工业级设备约25万～100万元，打印材料约250～450元/kg。
进口桌面设备约3万～10万元，打印材料约1200元/kg以上。
进口工业级设备约50万元以上，打印材料约2000元/kg以上。
3）金属。以SLM类型为例，打印设备约百万～千万元，打印材料约2500元/kg以上，进口材料约900元/kg以上。
4）尼龙。以SLS为例，打印设备约10万～百万元，打印材料约300元/kg以上，进口打印材料约1000元/kg以上。
5）其他。可以打印陶瓷（不同原理）的桌面级设备上万元，工业级打印设备百万元；打印食品的设备1万～5万，打印材料为巧克力粉和面粉等；生物打印机的设备价格可达到千万级别。