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3DPrinting-CheatSheet

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3D 打印资料索引

Technology | 技术纵览

FDM | 熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling )

熔融沉积又叫熔丝沉积,它是将丝状热熔性材料加热融化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出,沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上,温度低于固化温度后开始固化,通过材料的层层堆积形成最终成品。大致结构如下图所示:

在 3D 打印技术中,FDM 的机械结构最简单,设计也最容易,制造成本、维护成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌面级 3D 打印机中使用得最多的技术,而工业级 FDM 机器,主要以 Stratasys 公司产品为代表。DM 技术的桌面级 3D 打印机主 要以 ABS 和 PLA 为材料,ABS 强度较高,但是有毒性,制作时臭味严重,必须拥有良好通风环境,此外热收缩性较大,影响成品精度;PLA 是一种生物可分 解塑料,无毒性,环保,制作时几乎无味,成品形变也较小,所以目前国外主流桌面级 3D 打印机均以转为使用 PLA 作为材料。FDM 技术的优势在于制造简单,成本低廉,但是桌面级的 FDM 打印机,由于出料结构简单,难以精确控制出料形态与成型效果,同时温度对于 FDM 成型效果影 响非常大,而桌面级 FDM 3D 打印机通常都缺乏恒温设备,因此基于 FDM 的桌面级 3D 打印机的成品精度通常为 0.3mm-0.2mm,少数高端机型能够支持 0.1mm 层厚,但是受 温度影响非常大,成品效果依然不够稳定。此外,大部分 FDM 机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的 “ 台阶效应 ”,较难达到所见即所得的 3D 打印效果,所以 在对精度要求较高的快速成型领域较少采用 FDM。

SLA: 光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus )

光固化技术是最早发展起来的快速成型技术,也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术,主要使用光敏树脂为材料,通过紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐层固化,最终得到完整的产品。大致结构如下图所示: 光固化技术优势在于成型速度快、原型精度高,非常适合制作精度要求高,结构复杂的原型。使用光固化技术的工业级 3D 打印机,最著名的是 objet,该制造商的 3D 打印机提供超过 123 种感光材料,是目前支持材料最多的 3D 打印设备。光固化快速成型应该是目前 3D 打印技术中 精度最高,表面也最光滑的,objet 系列最低材料层厚可以达到 16 微米(0.016 毫米)。但是光固化快速成型技术也有两个不足,首先光敏树脂原料有一 定毒性,操作人员使用时需要注意防护,其次光固化成型的原型在外观方面非常好,但是强度方面尚不能与真正的制成品相比,一般主要用于原型设计验证方面,然 后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品。此外,SLA 技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于 FDM,因此,目前基于光固化技术的 3D 打印机主要应用在专业领域,桌面领域目前已有两个桌面级别 SLA 技术 3D 打印机项目启动,一个是 Form1,一个是 B9,相信不久的将来会有更多低成 本的 SLA 桌面 3D 打印机面世。

3DP: 三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing )

3DP 技术由美国麻省理工大学开发成功,原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等,3DP 技术工作原理是,先铺一层粉末,然后使用喷嘴将粘合 剂喷在需要成型的区域,让材料粉末粘接,形成零件截面,然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程,层层叠加,获得最终打印出来的零件。大致结构如下图所示: 3DP 技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构,而且能够输出彩色打印产品,这是目前其他技术都比较难以实现的。3DP 技术的典型设备,是 3DS 旗下 zcorp 的 zprinter 系列,也是 3D 照相馆使用的设备,zprinter 的 z650 打印出来的产品最大可以输出 39 万色,色彩方面非常丰富,也是 在色彩外观方面,打印产品最接近于成品的 3D 打印技术。但是 3DP 技术也有不足,首先粉末粘接的直接成品强度并不高,只能作为测试原型,其次由于粉末粘接的工作原理,成品表面不如 SLA 光洁,精细度也有劣势, 所以一般为了产生拥有足够强度的产品,还需要一系列的后续处理工序。此外,由于制造相关材料粉末的技术比较复杂,成本较高,所以目前 3DP 技术主要应用在 专业领域,桌面级别目前仅有一个 PWDR 项目在启动,但仍然处于 0.1 状态,尚需观察后续进展。

SLS | 选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering )

该工艺由美国德克萨斯大学提出,于 1992 年开发了商业成型机。SLS 利用粉末材料在激光照射下烧结的原理,由计算机控制层层堆结成型。SLS 技术同样是使用层叠堆积成型,所不同的是,它首先铺一层粉末材料,将材料预热到接近熔化点,再使用激光在该层截面上扫描,使粉末温度升至熔化点,然后烧结形成粘接,接着不断重复铺粉、烧结的过程,直至完成整个模型成型。大致结构如下:

激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料,并制成相应材质的成品,激光烧结的成品精度好、强度高,但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直 接烧结金属零件,也可以间接烧结金属零件,最终成品的强度远远优于其他 3D 打印技术。SLS 家族最知名的是德国 EOS 的 M 系列,成品效果图:激光烧结技术虽然优势非常明显,但是也同样存在缺陷,首先粉末烧结的表面粗糙,需要后期处理,其次使用大功率激光器,除了本身的设备成本,还需要很多辅助 保护工艺,整体技术难度较大,制造和维护成本非常高,普通用户无法承受,所以目前应用范围主要集中在高端制造领域,而目前尚未有桌面级 SLS 3D 打印机开发的消息,要进入普通民用领域,可能还需要一段时间。

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