【掌工知】5大3D打印技术剖析-掌工知
【掌工知】5大3D打印技术剖析-掌工知松本大洋
3D打印机的原理是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
由于在3D打印机原理中把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件。并且材料利用率达到90%以上，大大降低了材料成本。
主要技术类别
到目前为止，比较流行的3D打印技术种类主要包括SLA/DLP技术、FDM熔融层积成型技术、3DP 技术、SLS选区激光烧结/SLM选区激光熔融等。
(一)SLA/DLP技术
SLA是“Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA 是最早实用化的快速成形技术李录，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图1所示。其工艺过程是，首先通过 CAD 设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面;然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等，还可以通过在原料中加入其它成分，用原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 技术成形速度较快赵小臭，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
(二)FDM熔融层积成型技术
FDM即是Fused Deposition Modeling，熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如ABS、PC、尼龙等汪甜甜，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化嬴壮。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动渤海论坛，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加保靖黄金茶，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构——“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现林宗一 。
这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS邵武天气预报，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。
(三)3DP技术
3DP即3D printing，采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上， 以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。
美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术(3DP)的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料，通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起，通过层层叠加而成型。1993年，粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺，使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料，是目前最为成熟的彩色3D打印技术。
(四)SLS选区激光烧结技术/SLM激光熔融技术
SLS选区激光烧结技术，即Selective Laser Sintering，和3DP技术相似，高兮妍同样采用粉末为材料。所不同的是，这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点慕纱内衣，在采用激光照射，将需要成型模型的截面形状扫描，使粉末融化，被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环，粉末层层堆积，直到最后成型。
SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard 于1989年在其硕士论文中提出的。后美国 DTM 公司于 1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和 DTM 公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。其中，激光烧结技术是成型原理最为复杂、成型条件最高、设备及材料成本最高的3D打印技术，也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前，SLS技术成型材料的种类很多，可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等。
(五)LOM 技术
分层实体制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)，又称层叠法成形，它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，其成形原理如图4所示，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纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。
LOM 技术主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。除了可以制造模具、模型外，LOM技术还可以直接制造构件或功能件，其制件性能相当于高级木材。目前，LOM技术常用材料是敷有热敏胶的纤维纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等。LOM技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。
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3D打印机的原理是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
由于在3D打印机原理中把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件。并且材料利用率达到90%以上，大大降低了材料成本。
主要技术类别
到目前为止，比较流行的3D打印技术种类主要包括SLA/DLP技术、FDM熔融层积成型技术、3DP 技术、SLS选区激光烧结/SLM选区激光熔融等。
(一)SLA/DLP技术
SLA是“Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA 是最早实用化的快速成形技术李录，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图1所示。其工艺过程是，首先通过 CAD 设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面;然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等，还可以通过在原料中加入其它成分，用原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 技术成形速度较快赵小臭，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
(二)FDM熔融层积成型技术
FDM即是Fused Deposition Modeling，熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如ABS、PC、尼龙等汪甜甜，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化嬴壮。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动渤海论坛，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加保靖黄金茶，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构——“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现林宗一 。
这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS邵武天气预报，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。
(三)3DP技术
3DP即3D printing，采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上， 以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。
美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术(3DP)的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料，通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起，通过层层叠加而成型。1993年，粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺，使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料，是目前最为成熟的彩色3D打印技术。
(四)SLS选区激光烧结技术/SLM激光熔融技术
SLS选区激光烧结技术，即Selective Laser Sintering，和3DP技术相似，高兮妍同样采用粉末为材料。所不同的是，这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点慕纱内衣，在采用激光照射，将需要成型模型的截面形状扫描，使粉末融化，被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环，粉末层层堆积，直到最后成型。
SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard 于1989年在其硕士论文中提出的。后美国 DTM 公司于 1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和 DTM 公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。其中，激光烧结技术是成型原理最为复杂、成型条件最高、设备及材料成本最高的3D打印技术，也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。目前，SLS技术成型材料的种类很多，可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等。
(五)LOM 技术
分层实体制造法LOM(Laminated Object Manufacturing)，又称层叠法成形，它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，其成形原理如图4所示，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纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。
LOM 技术主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。除了可以制造模具、模型外，LOM技术还可以直接制造构件或功能件，其制件性能相当于高级木材。目前，LOM技术常用材料是敷有热敏胶的纤维纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等。LOM技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。
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