3D打印机的主要技术平台及优缺点

1、作者：PanHongliang封面仅供个人学习3D打印机的主要技术平台及优缺点3D打印技术从狭义上来说主要是指增材成型技术，从成型工艺上看，3D打印技术突破 了传统成型方法，通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具 制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设讣生产周期大大缩短, 生产成本大幅下降。3D打印，俗称“三维打印技术”或“快速制造技术”，是对一系列“增 材制造”技术的总称。那么，3D打印技术主要分为哪几种，优缺点是什么呢？以下详细说明：一、FDM：熔融沉积成型工艺熔融沉积成型工艺（Fused Deposition Model-ing, FDM）

2、是继LOH工艺和SLA工艺之 后发展起来的一种3D打印技术。该技术于1988年发明，随后Stratasys公司成立并在1992 年推岀了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机一一 “3D造型者（3DModeler ） ”，这也 标志着FDM技术步入商用阶段。国内的淸华大学、北京大学、北京殷华公司、中科院广州电 子技术有限公司都是较早引进FDM技术并进行研究的科研单位。FDM工艺无需激光系统的支 持，所用的成型材料也相对低廉，总体性价比高，这也是众多开源桌面3D打印机主要采用 的技术方案。FDM成型原理：熔融沉枳有时候又被称为熔丝沉积，它将丝状的热熔性材料进行加热融 化，通过带有微细喷嘴的挤出机

3、耙材料挤出来。喷头可以沿X轴的方向进行移动，工作台则 沿Y轴和Z轴方向移动（当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样），熔融的丝材被挤 岀后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预泄的增量下降一个厚 度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。下而我们一尼来看看FDM的详细技术原理（如 图1）oFDM成型技术的优点：（1）成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低：另外原材料的利用 效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。（2）原材料以材料卷得的形式提供，易于粉末材料搬运和储存以及快速更换：（3）原材料在成型过程中无化学变化，相对金属粉末，树脂固化制件

4、成型的变形小。FDM成型技术的缺点：（1）需要配合支撑结构打内腔模型时，支撑而效果欠佳。（2）需要对整个截面进行逐步打印，成型时间较长，成型速度相对SLA慢7%左右。二、SLA与DLP：立体光固化成型工艺SLA立体光固化成型工艺又称立体光刻成型，该工艺最早于1984年提出并获得美国国 家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。该专利申请两年后便成立了 3D Systems公司， 并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。SLA工艺以光敏树脂作为材料， 在计算机的控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让苴逐层凝固成型，SLA工艺 能以简洁且全自动的方式制造岀精度极高的几

5、何立体模型：DLP投影成型技术导引：为了提髙光固化成型速度，由之前激光扫描固化提高到固化更 快面积更大的投影固化技术：SLA激光光固化成型原理：液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氨-镉激光器或氮离子激光器发射出的紫外激光朿在 计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描 区域的树脂薄层产生聚合反应而固化形成工件的一个薄层。当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表而上 再覆盖一层新的液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液而刮平然后再进行下一层的激光扫描固 化。因为液态树脂具有髙黏性而导致流动性较差，在每层固化之后液而很难在短时间内迅速 抚

6、平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后，所需要的液态树脂将会均匀地涂 在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表而更加光 滑平整。新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最 后就能得到一个完整的立体模型。当工件完全成型后，首先需要把工件取岀并把多余的树脂 淸理干净，接着还需要把支撑结构淸除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。SLA工艺成型效率高，系统运行相对稳泄，成型工件表而光滑精度也有保证，适合制作 结构异常复杂的模型，能够直接制作而向熔模精密铸造的中间模。尽管SLA的成型精度高， 但成型尺寸也有较大的限制而不适

7、合制作体积庞大的工件，成型过程中伴随的物理变化和化 学变化可能会导致工件变形，因此成型工件需要有支撑结构。目前SLA工艺所支持的材料还 相当有限且价格昂贵，液态的光敏树脂具有一立的毒性和气味，材料需要避光保存以防止提 前发生聚合反应。SLA成型的成品硬度很低而相对脆弱（笔者在一次3D打印体验活动中看 到了 SLA成品触地碎裂的情况）。此外，使用SLA成型的模型还需要进行二次固化，后期处 理相对复杂。DLP投影固化成型原理：光源透过聚光镜，使光源均匀分布，菲涅尔镜是光源垂直照射在液晶屏上，液晶屏两 而分别有偏振膜，偏振膜是液晶显示成像的基础，任何液晶屏自身都有偏振膜，液晶屏的成 像显示就是透明显

8、示的，图像就会通过液晶屏照射到光敏树脂上，托板与底模之间固定髙度 的树脂通过投影的光发生固化成形并附着在托板上，再由托板将固化成形的部分拉起，让液 体再次补充进来，托板在下降，从而托板与底模之间的薄层树脂再次发生固化并附着在之前 成形的固化树脂上，周而复始，逐层固化直到完成模型整体成形。1.光源2.聚焦透镜3.菲涅尔透镜4.偏振膜5.液晶屏6.偏振膜7.储液槽底模8.光固 化树脂9.光固化成型托板紫外线光源采用半导体LED光源，或者辅助增加高压钠灯来提高光源强度，缩短曝光固 化时间。液晶屏上放着的是储液槽，储液槽下方是透明薄膜结构，要比较松弛，不要过于绷 紧，不利于固化脱模。光固化成型优点：（

9、1）表面质量好;（2）整而固化，成型速度快：光固化成型缺点：（1）尺寸的稳泄性差。成型过程中伴随着物理和化学变化，导致软薄部分易产生翘曲变形, 因而极大地影响成型件的整体尺寸精度。所以需要设汁成型件的支撑结构，否则会引起成型 件的变形。（2）可使用的材料种类较小。目前可使用材料主要为感光性液态树脂材料，并且因为材料 本身特性问题，不能对成型件进行抗力和热疑的测试。（3）液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止英提前发生聚合反应，选择时 有局限性。（4）需要二次固化。在很多情况下，经过快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激 光固化，所以通常需要二次固化。三、SLS：选择性激光烧结工艺

10、SLS技术起源于1986年，于1988年研制成功了第一台SLS成形机。随后，由美国的DTM公 司将其商业化，于1992年推岀了该工艺的商业化生产设备SinterStation 2000成形机。在 过去的20多年里，SLS技术在各个领域得到广泛的应用，研究选择性激光烧结设备工艺的 单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、徳国的EOS公司，在国内也有许多科研单位开 展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产 业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等：图所示为SLS的成型原理SLS选择性激光烧结工艺成型原理：选择性激光烧结加工的过程先采用

11、压辘将一层粉末平铺到已成型工件的上表而，数控系 统操控激光朿按照该层截而轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进 行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。当一层截而烧结完后工作台将下降一个层厚，这时 压馄又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全 成型。在成型的过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此SLS 成型的工件不需要像SLA成型的工件那样需要支撑结构。SLS工艺使用的材料与SLA相比相 对丰富些，主要有石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷，甚至还可以是金属。 当工件完全成型并完全冷却后，工作台将上升至原来的髙度

12、，此时需要把工件取岀使用刷子 或压缩空气把模型表层的粉末去掉。SLS选择性激光烧结优点：（1）可以采用多种材料。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以 作为SLS的成型材料。（2）过程与零件复杂程度无关，无须支撑结构，且制件的强度髙。（3）材料利用率高，为烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。SLS选择性激光烧结缺点：（1）原型结构疏松、多孔，且有内应力，制作易变性；（2）需要预热和冷却浪费很长时间：（4）且制成陶瓷、金属制件的成型表而粗糙多孔，后期较难处理；（5）材料不易存储，且材料成型过程产生有毒气体及粉尘，污染环境。四、PolyJet聚合物喷射工艺PolyJet聚介物喷射技

13、术是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术,PolyJet技术也 是当前最为先进的3D打印技术之一，2012年Stratasys和Ob jet宣布进行合并,交易额为 14亿美元，合并后的公司需仍为Stratasys0此项合作也将Polyjet技术推向了更高更广的 3D打印市场，令3D打印热进一步升温，且会加快数字制造商用化的进程；PolyJet聚合物喷射技术成型原理；PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的 是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光 灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进

14、行固化。完成一层的喷射打印 和固化后，设备内程的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料 进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。工件成型的过 程中将使用两种不同类型的光敏树脂材料，一种是用来生成实际的模型的材料，另一种是类 似胶状的用来作为支撑的树脂材料。这种支撑材料由过程控制被精确地添加到复杂成型结构 模型的所需位苣，例如是一些悬空、凹槽、复杂细节和薄壁等结构。当完成整个打印成型过 程后,只需要使用Water Jet水枪就可以十分容易地把这些支撑材料去除，而最后留下的是 拥有整洁光滑表而的成型工件。PolyJet聚合物喷射优点；（1）质量髙：

15、领最薄层厚能达到16微血 可以确保获得复杂、精确的部件与模型：（2）淸洁：适合于办公室环境，采用非接触树脂载入/卸载，容易淸除支持材料：（3）多彩多样：FullCure材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色 的部件，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。PolyJet聚合物喷射缺点：（1）Polyjet打印使用费用较高，如果要考虑成本因素，就要斟酌了；（2）光敏聚合物类材料打印模型适合实验设汁性，而不适合功能性和耐用性成品，如 果需要对模型成品的强度和稳定性有较高要求，就不太合适：五、3DP三维印刷成型工艺3DP三维印刷成型技术导引：三维印刷工艺（Three

16、-Dimension Printing, 3DP）由美国麻省 理工大学的Emanual Sachs教授发明于1993年，3DP的工作原理类似于喷墨打印机，是形 式上最为贴合“3D打印”槪念的成型技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采 用的都是粉末状的材料，如陶瓷、金属、塑料，但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过 激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射胶粘剂将工件的截而“打印”出来并一层层堆积 成型的；3DP三维印刷成型工艺成型原理：首先设备会把工作槽中的粉末铺平，接着喷头会按照指定的路径将液态胶粘剂（如硅胶） 喷射在预先粉层上的指左区域中，此后不断重复上述步骤直到工件完全成型

17、后除去模型上多 余的粉末材料即可。3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作 复合材料或非均匀材质材料的零件。3DP三维印刷成型优点：（1）成型速度快：（2）在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力特点之一。（3）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3DP三维印刷成型缺点：（1）强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性实验；（2）材料问题，在成型时对加工环境要求较高，并容易产生粉尘等污染；版权申明木文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。版权为潘宏亮个人所有This article includes some pa

18、rts，including text, pictures, and design. Copyright is Pan Hongliang，s personal ownership 用户可将本文的内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其 他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律 的规定，不得侵犯本网站及相关权利人的合法权利。除此以外，将本 文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人的书面 许可，并支付报酬。Users may use the contents or services of this article for personal study, research or appreciation, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisions of copyright law and other relevant laws, and shall not infringe upon th