1.2 現(xiàn)階段3D打印成型原理

現(xiàn)在市場上充斥著許多類型的3D打印機(jī)，雖然都有著同樣一個名字，但是在價格、性能、成型方式、成型材料等方面都有著天壤之別。造成這種差異的主要原因，就在于3D打印本身存在著多種成型原理。而每一種成型原理都能滿足3D打印的使用條件，并由此衍生出大量的3D打印機(jī)。因此，要了解3D打印，就必須要了解它的成型原理。目前主流的成型原理有以下五種：熔積成型法（FDM）、激光粉末燒結(jié)法（SLS）、光固化成型法（SLA）、三維打印黏結(jié)成型法（3DP）、分層實(shí)體制造法（LOM），分別介紹如下。

1.2.1 熔積成型法（FDM）

熔積成型法，即FDM（Fused Deposition Modeling）成型法，也稱作“熔絲制造法”（Fused Filament Fabrication，F(xiàn)FF）。該方法屬于線材擠出熱熔成型一類，是目前市場上最為常見的成型方法。

FDM技術(shù)是20世紀(jì)80年代由美國人Scott Crump發(fā)明的。在獲得這項技術(shù)的專利后，他于1989年成立了Stratasys公司，是當(dāng)今3D打印機(jī)的主流品牌公司之一，也是FDM工業(yè)級打印機(jī)的典型代表。FDM的成型原理是將線狀（一般直徑不超3mm）的熱塑性材料（如PLA、ABS等）通過噴頭加熱熔化，然后在噴頭底部帶有一個微細(xì)的噴嘴（即成型嘴，直徑一般在0.2～0.6mm），當(dāng)材料以一定的壓力擠噴出來后，噴頭同時沿水平方向移動，使擠出來的材料與之前一個層面的材料熔結(jié)在一起，每完成一個層面的熔結(jié)，工作臺下降一層的高度（或是噴嘴上移一層的高度），再繼續(xù)熔融沉積，直至堆疊完成整個模型。

在打印過程中，為了防止模型的空腔或者懸空部分的坍塌，通常會自動打印出一些支撐部分，用以支撐模型。通常的FDM成型從頭到尾都只會使用一種材料，這就意味著模型實(shí)體和支撐部分用的是一種材料，也增加了后續(xù)修剪的工作量和難度，如圖1-6所示。而高級一點(diǎn)的FDM可以使用兩種不同的材料，一種作為成型材料用來制造模型的實(shí)體部分；另一種作為支撐材料單獨(dú)用來制造模型的支撐部分，以此種方式生成的支撐材料通常是水溶性的，打印完成后只需將模型泡在水中，便可自行去除支撐，且外觀要較前者更為規(guī)整，如圖1-7所示。

由于FDM的成型原理相對簡單，無需高大上的技術(shù)，因此它的價格是3D打印中最為低廉的一種。現(xiàn)在市場上的桌面級3D打印機(jī)（如RepRap、Ultimaker、MakerBot等）絕大多數(shù)都是采用這種工藝的，其中最便宜的大約在人民幣2000元，因此本書的創(chuàng)業(yè)出發(fā)點(diǎn)便是建立在FDM打印機(jī)上的，而對于其他原理的打印機(jī)則不予探討。FDM使用的線狀耗材與典型打印模型分別如圖1-8和圖1-9所示。

FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

? 打印過程不會產(chǎn)生毒氣及化學(xué)污染，可以在相對干凈、安全的操作環(huán)境中進(jìn)行，如辦公室。

? 無須激光器等貴重元器件，造價低廉，工藝簡單、干凈，不產(chǎn)生垃圾。

? 原材料以卷軸線絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。

? 材料利用率高，而且可以選取多種材料，如可染色的ABS、醫(yī)用ABS、PLA、PC、PPSF等。

? 由于ABS材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此可采用伽馬射線進(jìn)行消毒，使其特別適用于醫(yī)療。

FDM技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

? 成型后表面粗糙，肉眼目測就可以觀察到層狀紋路。打印后需要進(jìn)行手工打磨拋光處理，在制作小件或者精細(xì)件時精度不如SLA，且目前最高精度只能達(dá)到0.1mm左右。因此不適合精度要求比較高的應(yīng)用。

? 不能打印尺寸很大的物體。由于材料本身的原因所限，在打印大件時由于溫度差異，很容易導(dǎo)致變形，因此一般的FDM成型尺寸大致在200mm×200mm×200mm。

? 打印速度較慢。打印一個10cm左右的模型，時間差不多需要4～5小時。

? 需要額外打印支撐部分。

1.2.2 激光粉末燒結(jié)法（SLS）

激光粉末燒結(jié)法，即SLS（Selcetive Laser Sintering）成型法，也稱作“選擇性激光燒結(jié)法”。該工藝屬于粉末狀材料高能束燒結(jié)或熔化成型一類，是主要的金屬成型法。

SLS技術(shù)由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard教授于1989年研制成功。SLS技術(shù)與3DP技術(shù)相似，都采用粉末材料，但SLS一般以金屬粉末和陶瓷粉末為主。此外，不像3DP通過噴頭噴黏結(jié)劑來黏結(jié)，而是通過激光燒結(jié)來黏結(jié)。它的成型原理，可以具體地概述為利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，再由計算機(jī)控制，最終層層堆結(jié)成型。SLS技術(shù)在打印時，會首先鋪一層粉末材料，并刮平，接著將材料預(yù)熱到接近熔點(diǎn)，再使用高強(qiáng)度的CO2激光器有選擇性地在該層截面上掃描，使被掃描的粉末溫度升至熔點(diǎn)，然后燒結(jié)形成黏結(jié)，接著再不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)、黏結(jié)的過程，直至最終完成整個模型的成型。

SLS在民間市場應(yīng)用不多，但在商業(yè)市場上采用得比較多，因?yàn)樗c工業(yè)結(jié)合得很緊密，而且使用的材料也最為廣泛，從理論上講幾乎所有的粉末材料都可以用來打印。像鑄造行業(yè)對精度的要求不高，SLS技術(shù)打印出來的產(chǎn)品完全滿足使用要求，目前的SLS打印精度大致與精密鑄造相當(dāng)。SLS也常常用來打印一些小的金屬件，如首飾、工藝品等。SLS打印所需的粉末耗材和典型的打印產(chǎn)品分別如圖1-10和圖1-11所示。

SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

? 成型材料種類豐富。除了金屬以外，SLS技術(shù)還可以打印高分子化合物、陶瓷、砂等多種材料。

? 打印速度快。速度是所有3D打印技術(shù)中最快的，每小時打印高度可達(dá)3～4cm。

? 節(jié)省材料。前文已經(jīng)說過，SLS技術(shù)是通過粉末燒結(jié)成型的，而所有未燒結(jié)過的粉末都會保持原狀并自動成為模型實(shí)物的支撐性結(jié)構(gòu)，因此無須像熔積成型那樣建立支撐，而且這些粉末都能在下一次打印中重復(fù)利用。

? 可以打印金屬。這是SLS技術(shù)最主要的優(yōu)勢，而且其打印出來的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，因此可以直接用于制造金屬模，具以及單件、小批量的零件。

SLS技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

? 成型后表面粗糙。粉末燒結(jié)后的表面粗糙，精度約為0.1～0.2mm，表面粗糙度在Ra 12.5左右，需要后續(xù)處理。而在后續(xù)處理的過程中，難以保證制件的尺寸精度，且后續(xù)處理工藝復(fù)雜，加工難度大，樣件易變形，無法用于裝配。

? 強(qiáng)大不大，易變形。SLS技術(shù)目前無法直接成型高性能的金屬零件，而且在成型較大尺寸的零件時，容易發(fā)生翹曲變形。

? 準(zhǔn)備時間和冷卻時間長。在開始打印前，要先將粉末加熱到熔點(diǎn)附近，光這一準(zhǔn)備工作就需近2小時的時間；而當(dāng)零件打印完成后，還不能直接將零件從粉末缸中取出，至少還要等上5～10小時的時間，待成品完全冷卻之后才可取出。

? 造價很高。由于使用了大功率的激光器，除了設(shè)備本身的成本外，還需要很多輔助的保護(hù)工藝，整體技術(shù)難度較大，制造和維護(hù)成本非常高，普通用戶難以承受，所以目前SLS應(yīng)用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域，現(xiàn)在還沒有桌面級SLS打印機(jī)開發(fā)的消息。

? 打印環(huán)境比較惡劣。需要對加工室不斷充氮?dú)庖源_保燒結(jié)過程的安全性，加工的成本高，而且該工藝產(chǎn)生有毒氣體，容易對人體產(chǎn)生傷害并污染環(huán)境。

除了SLS技術(shù)以外，打印金屬的技術(shù)還有SLM、DMLS、LENS、EBM、EBDM等，由于這些技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，在市場上接觸到的可能性不大，因此本書就不做介紹了，有興趣的讀者可以自行搜索。

1.2.3 光固化成型法（SLA）

光固化成型法，即SLA（Stereo Lithography Appearance）成型法，也稱作“光固化立體成型”“立體光刻”“立體平板印刷”，有時也簡寫為SL。該方法屬于液態(tài)樹脂光固化成型一類，是模型表面質(zhì)量最佳的成型方法。

世界上第一臺3D打印機(jī)采用的就是SLA技術(shù)。這項技術(shù)由Charles. W. Hull發(fā)明，他也由此于1986年創(chuàng)辦了3D Systems公司，也是如今3D打印機(jī)的主流品牌公司之一。SLA的技術(shù)原理是在樹脂液槽中盛滿透明、有黏性的液態(tài)光敏樹脂，該種樹脂在紫外激光束的照射下會快速固化。因此，只要激光束在計算機(jī)控制下根據(jù)分層數(shù)據(jù)連續(xù)掃描液態(tài)光敏樹脂表面，利用液態(tài)光敏樹脂經(jīng)激光照射凝固的原理，層層固化光敏樹脂，一層固化后，工作臺下移一段精確距離，掃描下一層，并且保證相鄰層可靠粘結(jié)，如此反復(fù)，便可成型出一個完整的模型。

提示：SLA用的激光與SLS所用的激光不同。SLA用的是紫外線激光，而SLS用的是高能量的紅外線激光。SLA的耗材一般為液態(tài)的光敏樹脂，而SLS的耗材通常為金屬、陶瓷等粉末。

由于SLA的材料不是線材或者粉末，而是液態(tài)的樹脂，不存在顆粒的結(jié)構(gòu)，因此就可以做得很精細(xì)，最終模型的表面也相當(dāng)光滑。不過SLA技術(shù)所用的材料卻比SLS要貴得多，所有它目前主要用于3D打印薄壁的、精度要求較高的零件。也適合用來制作中小型工件，能夠直接得到最終的塑料產(chǎn)品。在工業(yè)應(yīng)用上，它還能代替部分蠟?zāi)Ｖ谱鳚茶T模具，以及作為金屬噴涂模、環(huán)氧樹脂模和其他軟模的母模。SLA的耗材常為瓶裝的液態(tài)光敏樹脂，如圖1-12所示。SLA打印的典型模型通常擁有光滑的表面，且具有一定的通透效果，如圖1-13所示。

SLA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

? 技術(shù)最成熟。SLA是3D打印技術(shù)中成型最早的，因此技術(shù)最成熟，大多數(shù)技術(shù)問題都有成功的解決方案。

? 打印速度快。打印速度比FDM快，比SLS慢，系統(tǒng)工作相對來說最為穩(wěn)定。

? 成型范圍大。與SLS、FDM那種小打小鬧型的建模相比，SLA的成型范圍就顯得更為大氣，據(jù)悉在國外已經(jīng)有可以做到2米的大件，如已報道出來的汽車外殼等，均為SLA技術(shù)打印而成的。

? 尺寸精度高。SLA技術(shù)可以做到微米級別，打印精度在0.025mm左右。

? 表面質(zhì)量好。SLA技術(shù)打印的模型表面質(zhì)量是3D打印中最佳的，非常適合上色，因此可以用于小件及精細(xì)件的加工。

SLA技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

? 設(shè)備造價高，使用和維護(hù)成本高。SLA系統(tǒng)是要對液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求很苛刻。

? 材料貴。SLA的主要打印材料就是光敏樹脂，其價格昂貴，且成型后的各種物理性質(zhì)有限，強(qiáng)度不高，不牢靠。

? 打印出來的成品不易保存。光敏樹脂模型對儲藏環(huán)境有很高的要求，溫度過高會熔化，工作溫度不能超過100℃。光敏樹脂固化后較脆、易斷裂，可加工性不好。成型件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)。

? 污染環(huán)境。皮膚過敏者忌用光敏樹脂，如果光敏樹脂傳播至環(huán)境中，還會對環(huán)境造成污染。

? 需要自行設(shè)計工件的支撐結(jié)構(gòu)。這是SLA技術(shù)最主要的缺陷之一，需要在建模三維模型的時候自主設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，以確保在成型過程中制作的每一個結(jié)構(gòu)都能可靠定位，支撐結(jié)構(gòu)需要在未完全固化時手工去除，此過程容易破壞成型件。

1.2.4 三維打印黏結(jié)成型（3DP）

三維打印黏結(jié)成型，即3DP（3 Dimensional Printing and Gluing）成型法，也稱作“噴墨沉積”。該方法屬于液體噴印成型一類，是可支持多色打印的成型方法。

3DP的工藝類似于傳統(tǒng)的2D噴墨打印機(jī)，是最為貼合“3D打印”概念的成型技術(shù)之一，最早由美國麻省理工學(xué)院（MIT）于1993年研發(fā)。該技術(shù)利用噴頭噴黏結(jié)劑，選擇性的黏結(jié)粉末來成型。首先鋪粉機(jī)構(gòu)在加工平臺上精確地鋪上一層薄薄的粉末材料，然后噴墨打印頭根據(jù)這一層的截面形狀在粉末上噴上一層特殊的膠水，噴到膠水的薄層粉末發(fā)生固化，然后在這一層上再鋪上一層薄的粉末，打印頭按下一截面的形狀噴膠水。如此層層黏結(jié)，層層疊加，從下到上，直至將一個模型的所有層都打印完畢，然后再把未固化的粉末清理掉，便可以得到一個三維實(shí)體的模型。

與2D平面打印機(jī)在打印頭下送紙不同，3DP打印機(jī)是在一層粉末的上方移動打印頭，并打印分層好的橫截面數(shù)據(jù)。3DP技術(shù)打印成型的樣品能與實(shí)際產(chǎn)品一樣具有豐富的色彩，而且能夠有很高的成型精度，可達(dá)0.09mm。3DP技術(shù)的耗材也是粉末，通常為石膏粉，如圖1-14所示。典型3DP打印的模型外表粗糙，但是顏色豐富，如圖1-15所示。

3DP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

? 成型方便。無須激光器等高成本元器件，成型速度快，耗材也相對便宜，一般的玩具公仔用石膏粉即可。

? 不需要支撐。成型過程中不需要添加支撐，多余粉末的去除也比較方便，特別適合做內(nèi)腔較復(fù)雜的原型。

? 可以打印彩色模型。這是3DP技術(shù)最大的優(yōu)勢，能夠直接打印出彩色模型，而無須后期上色。目前市場上打印彩色人像的多是采用此種技術(shù)。

3DP技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

? 最終模型強(qiáng)度低。由于石膏粉的強(qiáng)度很低，因此3DP打印出來的模型只能用作概念型模型，或者裝飾品，而不能有實(shí)際用途。

? 表面粗糙。由于是石膏粉末黏結(jié)在一起的，所以成型模型的表面有顆粒狀的凸起，手感很粗糙。

1.2.5 分層實(shí)體制造法（LOM）

分層實(shí)體制造法，即LOM（Laminated Object Manufacturing）成型法。該方法屬于片、板、塊材料黏結(jié)或焊接成型一類。

LOM是一種薄片材料的疊加工藝，出現(xiàn)于1986年，由Helisys公司提出。利用激光或者刀具切割薄層紙、塑料薄膜、金屬薄板或者陶瓷薄片等片材，非模型區(qū)域則切割成若干小方塊，便于后續(xù)去除。然后通過熱壓或者其他形式層層黏結(jié)，疊加獲得三維實(shí)體零件。可以看出，LOM工藝還有傳統(tǒng)切削工藝的影子，只不過它已不是對大塊原材料進(jìn)行整體切削，而是先將原材料分割為多層，然后對每層的內(nèi)外輪廓進(jìn)行切削加工成型，并將各層黏結(jié)在一起。

LOM適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，尺寸精度較高，成型時間較短。使用小功率CO2激光器價格低、使用壽命長，制成件有良好的機(jī)械性能，適合于產(chǎn)品設(shè)計的概念建模和功能性測試零件。由于制成的零件具有木質(zhì)屬性，特別適合直接制作砂型鑄造模。LOM的耗材與打印案例，如圖1-16所示。圖示左下方為打印成品，后方則為打印耗材（實(shí)際打印中會被切割成碎片）。理論上講任何片狀的材料，如紙張、PVC板都可以作為LOM的打印耗材。

LOM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

? 耗材成本很低。材料成本應(yīng)該是所有打印技術(shù)中最低的一種，所打印用的材料甚至可以為常見的A4紙。

? 可快速成型尺寸很大的零件。由于LOM技術(shù)僅對模型外輪廓進(jìn)行加工，內(nèi)部無須加工，所以這是一個超高速的快速成型工藝（相對大型件來說比SLS快），常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的大型零件及實(shí)體件。

? 不需要支撐。LOM打印過程不存在收縮和翹曲變形，因此無須設(shè)計和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)。

LOM技術(shù)的缺點(diǎn)如下：

? 僅能打印結(jié)構(gòu)簡單的模型。LOM技術(shù)無法打印中空結(jié)構(gòu)件，也難以構(gòu)建精細(xì)形狀的零件。

? 浪費(fèi)材料。LOM技術(shù)使用的原材料種類較少，只能是紙、塑料和部分合成材料，目前常用的是紙。而且一次打印工作完成后，除了得到最終的模型外，其余部分均被激光切成碎片，無法像SLS那樣重復(fù)利用。

? 尺寸精度低。Z軸方向的精度相比SLA要低，一般在0.1mm左右。

? 打印環(huán)境要求苛刻。LOM技術(shù)需要專門的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，且維護(hù)成本高。由于打印的材料為紙張等易燃品，因此當(dāng)打印時溫度過高可能會引發(fā)火災(zāi)，而且紙制模型很容易受潮，貯存環(huán)境又需要干燥。