3D打印技术原理与应用课件：3D打印的技术原理

3D打印技术原理与应用

3D打印的技术原理

目录CONTENTS013D打印技术的分类02典型3D打印成型方法介绍033D打印成型误差分析3D打印技术的分类按材料形态分类按增材制造工艺步骤分类

013D打印技术的分类自从20世纪80年代美国出现第一台商用光固化成形机后，在近三十年时间内3D打印技术得到了快速发展，各种各样的新技术、新设备也日新月异、层出不穷。技术上的广谱性，给3D打印技术的分类带来了很大的困难。有学者提出了“广义”和“狭义”增材制造的概念，这为3D打印技术分类提供了有益的线索。狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术相结合，分层累加材料的技术体系；而“广义”的增材制造则指以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴的技术群。3D打印技术分类体系图2-1给出了一个3D打印技术的分类体系。图2-13D打印技术分类体系按材料形态分类按适用的材料形态对3D打印技术进行分类，比较简单、全面且直观；缺点是这种分类方法不能清楚地反映制造工艺的特点。材料形态成型工艺基本材料线材熔融沉积式（FDM）热塑性塑料，共晶系统金属、食材电子束自由成型（EBF）几乎任何合金颗粒直接金属激光烧结（DMLS）几乎任何合金、碳化物复合材料、氧化物陶瓷材料电子束熔融成型（EBM）钛合金、不锈钢等选择性激光熔融成型（SLM）镍合金、钛合金，钴铬合金，不锈钢，铝选择性热烧结（SHS）热塑性粉末选择性激光烧结（SLS）热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末激光工程化净成形（LENS）金属如钛、镍、钽、钨、铼及其它金属合金粉末石膏3D打印（PP或3DP）石膏、UV墨水片材分层粘结成型（LOM）纸、金属膜、塑料薄膜、复合材料膜液态光固化成型（SLA）光敏树脂数字光处理（DLP）光敏树脂PolyJet光敏树脂或树脂混合材料生物分层铺覆（LP）生物细胞、生物活性材料、可降解材料表2-1常见的3D打印技术分类及其适用材料按材料形态分类按适用的材料形态对3D打印技术进行分类，比较简单、全面且直观；缺点是这种分类方法不能清楚地反映制造工艺的特点。虽然3D打印技术都是基于分层叠加的增材制造基本原理，但其具体实现的方式却是多种多样的，主要体现在适用的材料以及打印物体的分层构建工艺的不同上。

按使用材料的形态来分，常见的3D打印技术可以划分为如下类型。1．线材3D打印技术。2．颗粒3D打印技术。3．粉末3D打印技术。4．片材3D打印技术。5．液态3D打印技术。6．生物3D打印技术。按材料形态分类图2-3聚合物3D打印技术分类

图2-2金属3D打印技术分类

按增材制造工艺步骤分类按增材制造工艺步骤对3D打印技术进行分类，可以将3D打印技术分为单步工艺3D打印技术和多步工艺3D打印技术两大类。这种分类方法的优点是简单明了、综合性好、类别覆盖全面；缺点是分类线条较粗，类别的技术特征不显著。图2-4单步和多步增材制造工艺

按增材制造工艺步骤分类1．增材制造单步工艺零件或实物在单一操作步骤中打印制造，即可以同时获得预期产品的基本几何形状和基本材料特性，这种工艺称作单步工艺。即使是在单步工艺中，去除支撑结构并进行清洗有时也是必要的。图2-5～图2-7分别给出了金属材料、聚合物材料和陶瓷材料的单步增材制造工艺。2．增材制造多步工艺当零件或实物通过两步或两步以上工艺制造时，一般首先获得其基本几何形状，然后再通过后处理固化零件或实物以获得预期的材料特性。只有在十分理想情况下或特殊用途时，如对制品质量要求不高时，才有可能通过首次操作即将材料粘结，并形成最终的由金属、聚合物、陶瓷或复合材料组成的零件或实物。实践中，大多数3D打印制品都需要通过多步工艺制造。例如，使用FDM桌面3D打印机制作模型后，一般还需要表面抛光、上色，才能得到满意的最终模型实物。图2-8给岀了金属、聚合物和陶瓷材料的多步增材制造工艺。按增材制造工艺步骤分类-金属单步

图2-5金属材料单步增材制造工艺按增材制造工艺步骤分类-聚合物单步

图2-6聚合物材料单步增材制造工艺按增材制造工艺步骤分类-陶瓷单步

图2-7陶瓷材料单步增材制造工艺按增材制造工艺步骤分类-金属、聚合物、陶瓷多步

图2-8金属、聚合物和陶瓷材料的多步增材制造工艺典型3D打印成型方法简介光固化成型法（SLA）分层实体制造法（LOM

）选择性激光烧结成型法（SLS

）熔融沉积成型法（FDM）SLA、LOM、SLS、FDM成型技术的对比生物3D打印02典型3D打印成型方法简介3D打印成型方法门类众多，每种成型方法又发展出了多种细分的成型技术。其中，选择性光固化成型法（SLA）、分层实体制d造法（LOM）、激光烧结成型法（SLS）和熔融沉积成型法（FDM）及生物分层铺覆（LP）是最有代表性的几种典型3D打印成型方法。之所以说这些方法典型，是因为其他成型方法在技术原理上都与这些方法有相似之处，在某种意义上，可以看作是这些典型成型方法技术的拓展和延伸。

本节以选择性光固化成型法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、激光烧结成型法（SLS）和熔融沉积成型法（FDM）及生物分层铺覆（LP）等五种典型成型方法为例，分别简要介绍其技术原理、工艺流程及相应的典型设备。光固化成型法（SLA）光固化成型（SLA）是由美国工程师查尔斯·赫尔（CharlesW.Hull）于1984年提出的，并于1986年获得专利授权。这是立体光刻技术领域的第一个具有开创性意义的快速成型专利，它开启了3D打印技术走向工业化应用的一个崭新的时代篇章。图2-9光固化成型法工艺原理示意图

SLA技术的特点SLA技术有以下优点：（1）由于SLA技术发展的时间较长，因而其工艺比较成熟，应用也很广泛，而且打印制品的精度也很高；（2）打印的制品表面质量好。虽然在每层固化时侧面及曲面表面可能会出现分层台阶，但经过简单的后处理，仍可以得到类似玻璃镜面的表面效果；（3）可以制作结构复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具等。

同时，SLA技术也有以下缺点：

（1）尺寸稳定性差。成型过程中往往伴随着物理和化学变化，导致制品的软薄部分受材料热胀冷缩作用，易产生翘曲变形，因而极大地影响了成型件的整体尺寸精度；

（2）需要设计成型件的支撑结构，否则会产生变形。支撑结构需要在成型件未完全固化时，手工去除，容易破坏成型性等。典型SLA设备1988年，3D打印行业巨头美国3DSystems公司，基于SLA成型技术原理开发出了世界上第一台工业SLA3D打印机——SLA-250（见图2-10）。SLA-250的商业化批量生产，成为了3D打印成型技术发展史上的一个里程碑事件。图2-10世界上第一台工业SLA3D打印机——SLA-250

分层实体制造法（LOM）

分层实体制造法又叫层叠法成型技术（LOM），是由美国HeIisys公司的工程师迈克尔·费金（MichaelFeygin）于1986年研制成功的。层叠法成型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，主要以片材（如纸片、塑料薄膜或金属复合材料）作为打印原材料。图2-11分层实体制造法工艺原理示意图

分层实体制造法（LOM）-原理视频LOM技术的特点LOM技术有以下优点。（1）成型速度较快。LOM技术本质上不同于传统逐点打印的增材制造方法，无需逐点打印整个截面，只需要使用激光束将物体每层截面的轮廓切割出来，所以成型速度很快。常用于制作内部结构简单的大型零部件；

（2）成型精度很高，并且可以进行彩色打印；同时，打印过程中造成的制品翘曲变形非常小等。

同时，LOM技术也存在以下缺点。

（1）由于成型过程中，在薄片层间使用了粘接剂，因此不能直接制作单一材料的原型；

（2）受成型工艺及材料的限制，成型制品的抗拉强度和弹性往往都不够好。例如，在层叠加方向上的抗拉强度通常比较差等。典型LOM设备南京紫金立德的LOM技术已经申请了全球性的专利技术保护，具有全球范围的垄断性自主知识产权。该公司已经利用其LOM专利技术开发出了系列3D打印机，目前，在其商业化生产的产品中，最新型的是炫龙DD3Pro系列，如图2-12所示。

2-12炫龙DD3Pro系列LOM3D打印机示例

选择性激光烧结成型法（SLS）

选择性激光烧结（SLS）工艺是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔·德卡德（CarlR.Deckard）于1989年在其硕士论文中提出的，随后卡尔·德卡德创立了DTM公司，专注基于SLS技术的3D打印机的生产。2-13选择性激光烧结工艺原理示意图

SLS技术的特点SLS技术具有以下优点。（1）可使用材料广泛。SLS技术可使用的成型材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等。理论上，任何加热后能够形成分子间粘结的粉末材料，都可以作为SLS的成型材料；（2）成型过程与零件复杂程度无关，且制品的强度高等；（3）材料利用率高。因为未烧结的材料可重复使用，所以材料浪费少，成本较低。同时，SLS技术也存在以下缺点。（1）原型结构易出现疏松、多孔隙，且有内应力，制品易变形；（2）打印的陶瓷、金属制品的后处理难度较大；（3）需要预热和冷却，较费时等。典型SLS设备第一台基于SLS技术的工业3D打印机Sinterstation2000于1992年由美国DTM公司推出，并实现了商业化批量生产和销售。DTM后来被美国3DSystems公司所合并。图2-14第一台SLS工业3D打印机Sinterstation2000

熔融沉积成型法（FDM

）熔融沉积成型（FDM）是上世纪八十年代末，由美国Stratasys公司的创始人斯科特·克伦普（S.ScottCrump）和他的妻子、发明家丽莎·克伦普（LisaCrump）于1989年发明的技术，并于1992年获得了美国专利授权。图2-15熔融沉积工艺原理示意图

FDM技术的特点FDM技术有以下优点。（1）成本低。由于FDM成型工艺中用液化器代替了激光器，设备造价低；（2）成型材料范围较广。如各种色彩的工程塑料ABS、PLA、PC、PPS及医用ABS等热塑性材料，均可作为FDM的打印成型材料，不仅选材广泛，而且还可以绚丽多彩等。同时，FDM技术也存在以下缺点。（1）原型表面有较明显的台阶状条纹，相对先进的SLA工艺成型精度较低；（2）打印制品沿着与成型轴垂直方向的强度较高，其他方向则较低；（3）在打印过程中，有时需要设计和制作支撑结构等。典型FDM设备1992年，美国Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的商用3D打印机——3D造型者（3DModeler），如图2-16所示，这标志着FDM技术正式步入了商业化应用阶段。图2-16世界上第一台3D造型者FDM3D打印机

SLA、LOM、SLS、FDM成型技术的对比

由于SLA、LOM、SLS及FDM成型技术在技术原理和工艺路线上的不同，使得采用这些技术的生产的3D打印成型设备，在价格、制品精度、表面质量、制品复杂度、制品尺度、可选材料价格及种类、材料的利用率及打印效率等方面，均有不同的表现。

工艺SLALOMSLSFDM设备价格贵中等较贵便宜制品精度较高中等中等较低表面质量优良较差中等较差制品结构复杂度复杂简单复杂中等制品大小中、小中、大中、小中、小材料价格较贵较便宜中等较贵材料种类光敏树脂纸、塑料、金属薄膜石蜡、塑料、金属、陶瓷粉末石蜡、塑料丝材料利用率～100%较差～100%～100%打印效率高高中等较低表2-2SLA、LOM、SLS、FDM打印成型技术的比较SLA、LOM、SLS、FDM成型技术的对比SLA、LOM、SLS及FDM成型技术的直观比较。1．成型速度：SLA＞LOM＞（SLS≈FDM）；2．打印精度：SLA＞LOM＞SLS＞FDM；3．打印尺寸大小：LOM＞SLA＞SLS＞FDM；4．打印材料范围：SLS＞FDM＞LOM＞SLA；5．主要部件使用寿命：FDM＞LOM＞SLA＞SLS；6．打印设备价格：SLA＞SLS＞LOM＞FDM；7．耗材价格：SLA＞FDM＞SLS＞LOM。生物3D打印生物3D打印是指以按需设计的三维CAD模型为基础，利用软件分层离散和数控成型的增材制造原理，定位装配生物材料（活细胞亦可混合在定制的生物材料中），制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等生物医学类产品的一种快速成型技术。随着生物3D打印技术的发展，其概念也在不断地延伸。狭义上看，生物3D打印通常是指操纵含活体细胞的生物墨水去构造活性结构的3D打印；从广义上说，直接为生物医疗领域服务的3D打印，都可视为生物3D打印的范畴。生物3D打印无论对制药企业的新药创制、医疗器械企业的个性化医疗器械的研发生产，以及医院医疗新技术的开发转化，都具有重要的研究意义与实用价值。图2-17生物3D打印原理示意图

生物3D打印的技术特点生物3D打印是快速成型技术中颇具发展潜力的应用领域之一，也是一个多学科交叉的研究领域。生物3D打印技术具有以下特点。（1）每个人的身体构造、病理状况一般都不会完全相同，存在个性化、差异化的特性。而生物3D打印技术具有快速、准确、差异化的特点，特别适合制造形状复杂的、个性化的人体器官组织的物理实体；（2）将生物3D打印与生物材料、细胞培养、医学成像和CAD技术相结合，针对患者特定的解剖构造、生理功能和治疗需求，来设计和制造人工植入支架、组织器官和医疗辅具等医学产品，为个性化医疗和精密医疗提供了突破性的治疗新途径。生物3D打印的技术特点生物打印的几个具体技术难题。（1）细胞技术。选择什么类型的细胞，对与生物3D打印相关的生物组织或者器官来说，是至关重要的。人体的不同组织都是由特有的细胞组合而成的，如肝脏主要有肝细胞，心脏主要有心肌细胞，皮肤主要有各种上皮细胞等。但是，不是所有组织特有的细胞都可以在体外进行分离培养的，而且，也不是所有的细胞都能在经历了生物3D打印的环境之后，还能够保持自身的生物活性的；（2）生物材料。人体不同的组织器官都有其特有的物理学、力学及生化特性，需要选择与组织特性相对应的生物材料，并且这些材料还需要最大限度地保持所选择细胞的生物活性和功能。更重要的是，所选择的材料必须能够通过3D打印系统进行打印操作；（3）生物打印技术。常用的生物3D打印主要有激光（Laser-based）、喷绘（Inkjet-based）和挤制（Extrusion-based）等三种主流技术。如何根据需要打印的组织器官的特点，合理地选择适合的打印技术，也是生物3D打印能否成功的关键。关键是如何将其与生物打印的体系相融合，使之在发挥最大功效的同时，还能保持细胞的生物活性和生物材料的物理化学特性，并且能保证打印的制品满足医学应用的标准。典型的生物3D打印设备2013年，杭州电子科技大学研发出了国内首台生物3D打印机“Regenovo”，并成功应用于人体器官的打印。随着医疗与康复事业的快速发展，近年来，各式各样的生物3D打印机也纷纷涌现。根据打印模式（喷头）的不同，现有的生物3D打印机大体可以分成以下三类：（1）喷墨生物打印机（InkjetBio-printer）（2）微挤压生物打印机（Micro-extrusionBio-printer）（3）激光辅助生物打印机（Laser-AssistedBio-printer，LAB）图2-19国内首台生物3D打印机“Regenovo”

3D打印成型误差分析数据处理误差打印成型误差后处理误差03数据处理误差误差是3D打印过程中比较常见、同时也是无法避免的问题。造成误差出现的原因有很多，比如3D打印设备的机械零部件精度、打印参数设置、数据处理精度等，都有可能存在误差。3D打印误差一般可分为前期数据处理误差、成型加工误差和后处理误差等三类，右图为打印误差的分类。图2-193D打印误差的分类数据处理误差-误差示例误差示例视频数据处理误差数据处理误差包括模型格式转换产生的误差和分层切片造成的误差等两大类。在打印制品CAD设计建模完成之后，需要将其转换成3D打印模型数据格式，如STL、OBJ、AMF或3MF等格式，以便传输给3D打印机做后续的处理。1．STL格式文件转换误差STL格式文件的本质是用许多细小的空间三角形面片来逼近还原CAD实体模型，其主要的优势就在于格式简单、表达清晰，文件中只包括相互衔接的小三角形面片的节点坐标及其外法向量值。2．分层切片处理误差分层切片处理误差，是在对打印模型进行分层切片处理时产生的误差，属于原理性误差。分层切片处理一般是在CAD模型转换成3D打印模型之后，通过预先设定好成型的方向及分层的厚度，在3D打印机上进行计算处理的。数据处理误差-切片的影响打印成型误差打印成型误差是指在3D打印时，由于打印机机械零部件精度、打印材料的热胀冷缩及打印工艺等因素导致产生的误差。

1．打印机本体误差3D打印设备是一个典型的机电一体化系统，其自身通常也会有一定的误差，这是影响成型制品精度的原始误差。设备自身误差的改善应该从其系统的设计和制造过程入手，通过提高设备本体的软硬件质量，来改善成型制品的精度。2．分层累积成型误差

除了3D打印机的工作台移动可能产生Z方向上的误差外，打印材料在分层累积成型过程中还会产生分层材料热胀冷缩产生的误差、上下层轮廓约束产生的误差、叠层高度的累积误差。

3．打印工艺参数误差打印工艺参数误差是指对3D打印相关工艺参数选择设置不当而导致出现的误差。后处理误差后处理误差是指在3D打印制品后处理阶段产生的误差。从3D打印机上取出已成型的制品后，往往需要剥离支撑结构，有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面处理等，这些工序统称为后处理。后处理误差一般有制品去除支撑引起的误差和热表处理产生的误差两类。1．去除支撑引起的误差在为打印完成的制品去除支撑时，可能会引起制品形状的变化；有时因为人为等因素，还有可能会刮伤成型表面或其精细的结构，严重影响成型质量。2．热表处理产生的误差由于成型工艺或制品本身在结构、工艺性等方面的原因，成型后的制品内总或多或少地存在残余应力。这种残余应力会由于时效的作用而全部或部分地消失，这也会导致零件变形，出现误差。因此，设法减小成型过程中的残余应力，有利于提高零件的成型精度。后处理误差-火箭发电机喷嘴3D打印及后处理思考题1．