1.5　3D打印技術

快速成型技術從產生以來，出現了十幾種不同的方法。本書僅介紹目前工業領域較為常用的工藝方法。目前占主導地位的快速成型技術共有如下6類。

1.5.1　FDM打印技術

熔積成型法（Fused Deposition Modeling, FDM）是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型，打印原理如圖1-4所示。

FDM技術的優點如下。

（1）操作環境干凈、安全，材料無毒，可以在辦公室、家庭環境下進行，沒有產生毒氣和化學污染的危險。

（2）無須激光器等貴重元器件，因此價格便宜。

（3）原材料為卷軸絲形式，節省空間，易于搬運和替換。

（4）材料利用率高，可備選材料很多，價格也相對便宜。

FDM技術的缺點如下。

（1）成型后表面粗糙，需后續拋光處理。最高精度只能達到0.1mm。

（2）因為噴頭做機械運動，速度較慢。

（3）需要材料作為支撐結構。

1.5.2　SLS打印技術

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering, SLS）技術采用鋪粉將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制系統控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升到熔化點，進行燒結并與下面已成型的部分實現粘結。一層完成后，工作臺下降一層厚度，鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型，原理如圖1-5所示。

SLS技術的優點如下。

（1）可用多種材料。其可用材料包括高分子、金屬、陶瓷、石膏、尼龍等多種粉末材料。特別是金屬粉末材料，是目前3D打印技術中最熱門的發展方向之一。

（2）制造工藝簡單。由于可用材料比較多，該工藝按材料的不同可以直接生產復雜形狀的原型、型腔模三維構建或部件及工具。

（3）高精度。一般能夠達到工件整體范圍內0.05～2.5mm的公差。

（4）無須支撐結構。疊層過程出現的懸空層可直接由未燒結的粉末來支撐。

（5）材料利用率高。由于不需要支撐，無須添加底座，在常見幾種3D打印技術中材料利用率最高，且價格相對便宜。

SLS技術的缺點如下。

（1）表面粗糙。由于原材料是粉狀的，原型建造是由材料粉層經過加熱熔化實現逐層粘結的，因此，原型表面嚴格來講是粉粒狀的，表面質量不高。

（2）燒結過程有異味。SLS工藝中粉層需要激光使其加熱達到熔化狀態，高分子材料或者粉粒在激光燒結時會揮發異味氣體。

（3）無法直接成型高性能的金屬和陶瓷零件，成型大尺寸零件時容易發生翹曲變形。

（4）加工時間長。加工前，要有兩個小時的預熱時間；零件構建后，還需5～10小時冷卻，才能將模型從粉末缸中取出。

（5）由于使用了大功率激光器，除了本身的設備成本，還需要很多輔助保護工藝，整體技術難度大，制造和維護成本非常高，普通用戶無法承受。

1.5.3　SLA打印技術

光固化法（Stereo Lithography Apparatus, SLA）是目前應用最為廣泛的一種快速原型制造工藝。在液槽中充滿液態光敏樹脂，其在激光器所發射的紫外激光束照射下會快速固化（SLA與SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是紅外激光）。在成型開始時，可使升降工作臺處于液面以下，剛好一個截面層厚的高度。通過透鏡聚焦后的激光束，按照機器指令將截面輪廓沿液面進行掃描。掃描區域的樹脂快速固化，從而完成一層截面的加工過程，得到一層塑料薄片。然后，工作臺下降一層截面層厚的高度，再固化另一層截面，原理如圖1-6所示。這樣層層疊加構成建構三維實體。

SLA技術的優點如下。

（1）發展時間最長，工藝最成熟，應用最廣泛。在全世界安裝的快速成型機中，光固化成型系統約占60%。

（2）成型速度較快，系統工作穩定。

（3）具有高度柔性。

（4）精度很高，可以做到微米級別。

（5）表面質量好，比較光滑：適合做精細零件。

SLA技術的缺點如下。

（1）需要設計支撐結構。支撐結構需要未完全固化時去除，容易破壞成型件。

（2）設備造價高昂，而且使用和維護成本都不低。SLA系統需要對液體進行操作的精密設備，對工作環境要求苛刻。

（3）光敏樹脂有輕微毒性，對環境有污染，對部分人體皮膚會造成過敏反應。

（4）樹脂材料價格貴，成型后強度、剛度、耐熱性都有限，不利于長時間保存。

（5）由于是樹脂材料，溫度過高會熔化，工作溫度不能超過100℃。且固化后較脆，易斷裂，可加工性不好。成型件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強。

1.5.4　LOM打印技術

紙疊層制造（Lamited Object Manufacturing, LOM）技術是利用分層疊加原理制成原型或模型。其基本原理是將涂有熱熔膠的紙鋪在工作臺上，先用加熱輥施壓使紙張與工作臺上模型架粘合，然后用激光（或尖刀）在第一層紙上切割出模型平面輪廓，制好第一層后，轉動送紙器，按上述原理加工第二層，直至加工好模型為止。用紙張做的模型還要進行封蠟、油漆、防潮處理等后處理工序。這種制造技術的優點是工作可靠，模型支撐性好，有類似木質外觀，更適合于制造外形結構復雜，內部結構簡單的零件；缺點是前后處理費時費力，且不能制造中空結構件。

LOM工藝的基本原理如圖1-7所示。先將單面涂有熱熔膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分層模型獲得數據，用激光束將紙切割成所制零件的內外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，這樣反復逐層切割—粘合—切割，直到整個零件模型制作完成。此方法只需切割輪廓，特別適合制造實心零件。一旦零件完成，多余的材料必須手動去除，過程可以通過用激光在三維零件周圍切割一些方格形小孔而簡單化。

LOM技術的優點如下。

（1）無須設計和構建支撐。

（2）激光束只是沿著物體的輪廓掃描，無須填充掃描，成型效率高。

（3）成型件的內應力和翹曲變形小；制造成本低。

LOM技術的缺點如下。

（1）材料利用率低。

（2）表面質量差。

（3）后處理難度大，尤其是中空零件的內部殘余廢料不易去除。

（4）可以選擇的材料種類有限，目前常用的主要是紙。

（5）對環境有一定的污染。

LOM工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形小和形狀簡單的實體類零件。通常用于產品設計的概念建模和功能測試零件，且由于制成的零件具有木質屬性，特別適用于直接制作砂型鑄造模。

1.5.5　DLP打印技術

DLP激光成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似，不過它是使用高分辨率的數字光處理器（DLP）投影儀來固化液態光聚合物，逐層的進行光固化，由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術速度更快。該技術成型精度高，在材料屬性、細節和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。

1.5.6　UV打印技術

UV紫外線成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的過程中沒有噪音產生，在同類技術中成型的精度最高，通常應用于精度要求高的珠寶和手機外殼等行業。