熔融沉積快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)
熔融沉積又叫熔絲(si) 沉積,它是將絲(si) 狀熱熔性材料加熱融化,通過帶有一個(ge) 微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化後從(cong) 噴嘴噴出,沉積在製作麵板或者前一層已固化的材料上,溫度低於(yu) 固化溫度後開始固化,通過材料的層層堆積形成最終成品。基本原理是通過加熱裝置將ABS、PLA等絲(si) 材加熱融化,然後通過擠出頭擠出來,一層一層堆積上去,最後成形。類似於(yu) 春蠶吐絲(si) ,蠶體(ti) 內(nei) 含有絹絲(si) 蛋白質的絹絲(si) 液,蠶用嘴擠壓吐出,一層一層環繞,這種液體(ti) 凝固後就成了絲(si) 繭。
在3D打印技術中,FDM的機械結構最簡單,設計也最容易,製造成本、維護成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌麵級3D打印機中使用得最多的技術,而工業(ye) 級FDM機器,主要以Stratasys公司產(chan) 品為(wei) 代表。
FDM技術的桌麵級3D打印機主要以ABS和PLA為(wei) 材料,ABS強度較高,但是有毒性,製作時臭味嚴(yan) 重,必須擁有良好通風環境,此外熱收縮性較大,影響成品精度;PLA是一種生物可分解塑料,無毒性,環保,製作時幾乎無味,成品形變也較小,所以目前國外主流桌麵級3D打印機均以轉為(wei) 使用PLA作為(wei) 材料。
FDM技術的優(you) 勢在於(yu) 製造簡單,成本低廉,但是桌麵級的FDM打印機,由於(yu) 出料結構簡單,難以精確控製出料形態與(yu) 成型效果,同時溫度對於(yu) FDM成型效果影響非常大,而桌麵級FDM 3D打印機通常都缺乏恒溫設備,因此基於(yu) FDM的桌麵級3D打印機的成品精度通常為(wei) 0.3mm-0.2mm,少數高端機型能夠支持0.1mm層厚,但是受溫度影響非常大,成品效果依然不夠穩定。此外,大部分FDM機型製作的產(chan) 品邊緣都有分層沉積產(chan) 生的“台階效應”,較難達到所見即所得的3D打印效果,所以在對精度要求較高的快速成型領域較少采用FDM。
光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus,SLA)
光固化技術是最早發展起來的快速成型技術,也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。光固化技術,主要使用光敏樹脂為(wei) 材料,通過紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐層固化,最終得到完整的產(chan) 品。
光固化技術優(you) 勢在於(yu) 成型速度快、原型精度高,非常適合製作精度要求高,結構複雜的原型。使用光固化技術的工業(ye) 級3D打印機,最著名的是objet,該製造商的3D打印機提供超過123種感光材料,是目前支持材料最多的3D打印設備。
光固化快速成型應該是目前3D打印技術中精度最高,表麵也最光滑的,objet係列最低材料層厚可以達到16微米(0.016毫米)。但是光固化快速成型技術也有兩(liang) 個(ge) 不足,首先光敏樹脂原料有一定毒性,操作人員使用時需要注意防護,其次光固化成型的原型在外觀方麵非常好,但是強度方麵尚不能與(yu) 真正的製成品相比,一般主要用於(yu) 原型設計驗證方麵,然後通過一係列後續處理工序將快速原型轉化為(wei) 工業(ye) 級產(chan) 品。此外,SLA技術的設備成本、維護成本和材料成本都遠遠高於(yu) FDM,因此,目前基於(yu) 光固化技術的3D打印機主要應用在專(zhuan) 業(ye) 領域,桌麵領域目前已有兩(liang) 個(ge) 桌麵級別SLA技術3D打印機項目啟動,一個(ge) 是Form1,一個(ge) 是B9,相信不久的將來會(hui) 有更多低成本的SLA桌麵3D打印機麵世。
全稱叫“立體(ti) 光固化成型”,基本原理是激光束在液態樹脂表麵勾畫出物體(ti) 的第一層形狀,然後製作平台下降一定的距離(0.05-0.025mm之間),再讓固化層浸入液態樹脂中,如此反複。使用的樹脂是光敏樹脂,激光束照射後會(hui) 形成固態。
DLP:全稱叫“數字光投影”技術。使用的耗材和SLA一樣,都是光固化樹脂。那和SLA有什麽(me) 區別呢?為(wei) 什麽(me) 叫數字光投影呢?其實在機械結構方麵,DLP與(yu) SLA最大的不同在於(yu) ,DLP用的是投影儀(yi) 的數字光源(沒用用過投影儀(yi) ?買(mai) 一個(ge) 試試,哈哈),SLA用的是激光頭。正因為(wei) 如此,DLP一掃就是一片,SLA成形隻能靠一個(ge) 激光點。一些DLP機器還可以打多種材料,例如DLP200台麵可以打印多種材料,樹脂ABS亞(ya) 克力。
三維粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)
3DP技術由美國麻省理工大學開發成功,原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等,3DP技術工作原理是,先鋪一層粉末,然後使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域,讓材料粉末粘接,形成零件截麵,然後不斷重複鋪粉、噴塗、粘接的過程,層層疊加,獲得最終打印出來的零件。
3DP技術的優(you) 勢在於(yu) 成型速度快、無需支撐結構,而且能夠輸出彩色打印產(chan) 品,這是目前其他技術都比較難以實現的。3DP技術的典型設備,是3DS旗下zcorp的zprinter係列,也是3D照相館使用的設備,zprinter的z650打印出來的產(chan) 品最大可以輸出39萬(wan) 色,色彩方麵非常豐(feng) 富,也是在色彩外觀方麵,打印產(chan) 品最接近於(yu) 成品的3D打印技術。
但是3DP技術也有不足,首先粉末粘接的直接成品強度並不高,隻能作為(wei) 測試原型,其次由於(yu) 粉末粘接的工作原理,成品表麵不如SLA光潔,精細度也有劣勢,所以一般為(wei) 了產(chan) 生擁有足夠強度的產(chan) 品,還需要一係列的後續處理工序。此外,由於(yu) 製造相關(guan) 材料粉末的技術比較複雜,成本較高,所以目前3DP技術主要應用在專(zhuan) 業(ye) 領域,桌麵級別目前僅(jin) 有一個(ge) PWDR項目在啟動,但仍然處於(yu) 0.1狀態,尚需觀察後續進展。
選擇性激光燒結(Selecting Laser Sintering,SLS)
該工藝由美國德克薩斯大學提出,於(yu) 1992年開發了商業(ye) 成型機。SLS利用粉末材料在激光照射下燒結的原理,由計算機控製層層堆結成型。SLS技術同樣是使用層疊堆積成型,所不同的是,它首先鋪一層粉末材料,將材料預熱到接近熔化點,再使用激光在該層截麵上掃描,使粉末溫度升至熔化點,然後燒結形成粘接,接著不斷重複鋪粉、燒結的過程,直至完成整個(ge) 模型成型。
激光燒結技術可以使用非常多的粉末材料,並製成相應材質的成品,激光燒結的成品精度好、強度高,但是最主要的優(you) 勢還是在於(yu) 金屬成品的製作。激光燒結可以直接燒結金屬零件,也可以間接燒結金屬零件,最終成品的強度遠遠優(you) 於(yu) 其他3D打印技術。SLS家族最知名的是德國EOS的M係列。
激光燒結技術雖然優(you) 勢非常明顯,但是也同樣存在缺陷,首先粉末燒結的表麵粗糙,需要後期處理,其次使用大功率激光器,除了本身的設備成本,還需要很多輔助保護工藝,整體(ti) 技術難度較大,製造和維護成本非常高,普通用戶無法承受,所以目前應用範圍主要集中在高端製造領域,而目前尚未有桌麵級SLS 3D打印機開發的消息,要進入普通民用領域,可能還需要一段時間。