3D打印机的主要技术平台及优缺点全解

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，这使得产品的设计生产周期大大缩短，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）是继LOM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年推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者（3DModeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。国内的清华大学、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：熔融沉积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把材料挤出来。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），熔融的丝材被挤出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定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。下面我们一起来看看FDM的详细技术原理（如图1）。

FDM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，支撑面效果欠佳。

（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其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型；

DLP 投影成型技术导引:为了提高光固化成型速度，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，氦-镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束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面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。因为液态树脂具有高黏性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，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面更加光滑平整。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，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，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，系统运行相对稳定，成型工件表面光滑精度也有保证，适合制作结构异常复杂的模型，能够直接制作面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定的毒性和气味，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，液晶屏两面分别有偏振膜，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高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：

（1）表面质量好；

（2）整面固化，成型速度快；

光固化成型缺点：

（1）尺寸的稳定性差。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。所以需要设计成型件的支撑结构，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量的测试。

（3）液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前发生聚合反应，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

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年推出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、德国的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；