3D打印的关键技术

            樊月龙

   3D打印过程如下：3D打印机在设计文件指令的导引下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3D打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。

   一、3D打印所需设备和材料：

    3D打印机：工业级3D打印机、桌面型3D打印机，以及其他3D打印制造设备（快速成型机、快速制造设备）。

    三维扫描与软件：三维扫描仪、三维激光雕刻机、激光制版、激光设备、三维测量仪、三坐标测量机/仪、激光跟踪仪、三维相机、三维激光抄数机； 三维设计系统 、运动捕捉系统、三维摄影测量系统、数控系统； 检测与逆向工程软件、三维检测软件、普及应用3D设计软件、打印软件等。

3D打印材料：光敏树脂、塑料粉末材料（尼龙、尼龙玻钎、尼龙碳纤维、尼龙铝粉、Peek材料）等、金属粉末材料（模具钢、钛合金、铝合金以及钴铬钼合金、铁镍合金）、聚乳酸（PLA，使用可再生的植物资源所提出的淀粉原料制成）、骨粉、细胞介质和生物墨水等。

二、3D打印技术：3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。3D打印技术可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径。目前市场上的快速成型技术大致有3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA激光光固化技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术、LOM分层实体制造技术和PCM无模铸型制造技术等。 

1、3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，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。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。

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    2、FDM熔融层积成型技术： 熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，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。一层一层叠加，直至形成整个实体造型。与其他的3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力，其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产工具。

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3、SLA激光光固化技术：SLA以光敏树脂为原料，这种液态材料在一定波长(x=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。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从形成工件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要 应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。SLA有两大类，一种是Objet为代表的，从下到上打印的。另一种是FormLabs为代表的，从上往下打印的。

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4、SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本 较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂、金属粉末和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。

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    5、DLP激光成型技术：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。

    6、LOM分层实体制造技术：LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。

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7、PCM无模铸型制造技术:无模铸型制造技术（PCM，Patternless Casting Manufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。 造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属或者用铸型做建筑模型。

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