淺談3D打印機器原理

楊檁

前言

增材制造（Additive Manufacturing，以下簡稱AM），是20世紀麻省理工學(xué)院第一次提出的概念，我們現(xiàn)在一般把這種增材制造的方式成為“3D打印”[1]。傳統(tǒng)的制造方式，一般是通過切割、鑄造等方式，將一塊材料打造成所需要的零件或毛坯，常見的工藝有鑄造、焊接、鍛壓、注塑等。

增材制造其內(nèi)部隨著發(fā)展，也出現(xiàn)了很多種新的分類，按照打印原理的不同，有熔融擠出成型、選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光融化、光固化成型、三維噴印等等。下面我們就根據(jù)原理的不同，來簡要地闡述其成型工藝與機器的原理和應(yīng)用場景。

1.幾種主流3D打印技術(shù)

1.1熔融擠出成型技術(shù)——FDM

熔融擠出成型（FDM）是現(xiàn)如今使用最多，發(fā)展最成熟的“3D打印”方式，如圖1-1，它通過將絲狀的熱塑性塑料，加熱融化，在成型平面上擠出，然后遇冷固化成型[2]。

我們通常稱之為“擠牙膏”。FDM這種工藝的機器有桌面級和工業(yè)級之分，目前市面上能夠見到的，大多都是桌面級的打印機，價格從2000元到8000元不等，成型范圍400mm*300mm*300mm左右，精度0.1mm左右，多用于教育、手模、文創(chuàng)等方面，市場普及度高，同時也是許多機械愛好者自我制作的工具之一。

FDM這種工藝目前主要存在幾個問題：一是打印效率不高，我們要打印一個15cm左右高的手辦，常常要花費10小時甚至更多；二是機器不附贈后處理方式，打印完成模型，支撐和平臺還黏附在上面，且模型表面“臺階效應(yīng)”較為明顯，去支撐、表面拋光等等后處理需要手工完成，同時，常常因為模型精度有限，在手工拾取時，在小部件出容易出現(xiàn)斷裂，從而導(dǎo)致零件報廢；三是目前絕大多數(shù)FDM機器只能打印單色的模型，PLA和ABS兩種常用材料打印完成后不易上色。

1.2 三維噴印技術(shù)——3DP

三維噴印技術(shù)是美國惠普公司現(xiàn)在在首推的一種打印的方式。如圖1-2，通過將粉末一層一層鋪平，然后用噴頭噴射固化劑或粘接劑，使粉末粘接成型，然后再鋪粉，再噴射粘接劑，一層一層重復(fù)，從而將整個零件成型。通過鋪粉的方式，三維噴印的精度相比FDM有了較大的提升，但同樣的，對于粘接劑和成型粉末的選擇，有了更多的要求。

粉末方面，三維噴印技術(shù)因為要鋪粉，所以對于粉末的球形度、粉末粒徑分布以及粉末的流動性都有要求。目前較為成熟的幾種成型粉末主要包括石膏、PVA、覆膜砂等，這幾種粉末都可以和水進行較好的反應(yīng)，從而粘接成型。

粘接劑方面，由于三維噴印是通過墨盒打印噴頭（通常是壓電式或熱氣泡式）噴射小液滴，所以對于粘接劑的表面張力、粘度都有要求。但同樣的，由于是通過墨盒噴射，三維噴印這種成型方式完全可以通過加大噴墨口的數(shù)量，極大地加快打印的效率，籠統(tǒng)點說，F(xiàn)DM方式是通過一個點來畫線，從而變成的面，再堆積成體，而3DP可以直接將噴墨口放成一條線，通過控制噴墨口噴墨，一口氣噴射一層面，大大提升打印效率。

三維噴印還有一個好處就是，因為粘接劑是液態(tài)的，所以可以直接像彩色噴墨打印機一樣，將顏料放入粘接劑中，打印多彩的模型。

1.3 光固化技術(shù)——SLA

光固化的成型方式的原理是紫外線光與一些液態(tài)的光敏樹脂反應(yīng)交聯(lián)固化，從而成型零件（圖1-3）。

光固化的機器一般價格不是太貴，比桌面級的FDM價格貴一些，但相比其他工業(yè)級的設(shè)備要便宜的很多，但光敏樹脂較為昂貴，由于其不耐光的特性，其儲存地點一定要放在沒有光照較為陰暗的角落。光固化這種工藝在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用較多，一些醫(yī)療機構(gòu)的手術(shù)樣品，牙科的模型，助聽器的模型等等。由于是光固化的液體成型，往往成型的表面質(zhì)量特別好，沒有所謂的“臺階效應(yīng)”，且無需去除支撐，做出的零件是半透明的，較為美觀。

1.4 選擇性激光燒結(jié)——SLS

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是通過使用激光器，將一層層的粉末燒結(jié)成型（圖1-4）[3]。選擇性激光燒結(jié)這種方式成型的材料往往是高分子材料，如尼龍、PP、熱塑性聚氨酯、PS等等，所需的激光功率從幾瓦到幾十瓦不等，無需特別高的能量功率，且激光的精度較高，如果成型的環(huán)境控制的較好，成型的零件往往精度很高。但激光器目前主要是通過從國外進口，所以SLS設(shè)備的機器成本集中于激光器。與三維噴印相似，這種通過粉床鋪粉的工藝，對于粉末要求較高。

SLS目前主要用于工業(yè)領(lǐng)域，華中科技大學(xué)史玉升團隊曾做出過1000*1000超大臺面的工業(yè)級打印機，對于成型大型砂型，在汽車發(fā)動機、航空航天、軍用等都有廣闊應(yīng)用。同樣的，打印成本較高，在民用領(lǐng)域使用場景還較為有限。

總結(jié)

本文對幾種常見的3D打印原理進行了較為詳細的講述，分析了每種技術(shù)的優(yōu)點以及目前技術(shù)本身發(fā)展的一些限制，并對各種技術(shù)所具體使用的材料，以及其機器的基本原理進行了較為詳細的分析與介紹。

參考文獻：

[1] Cima M，Sachs E，F(xiàn)an T，et al. Three-dimensional printing techniques：CA，US 5387380 A[P]. 1995.

[2] 余冬梅，方奧，張建斌. 3D打?。杭夹g(shù)和應(yīng)用[J]. 金屬世界，2013（6）：6-11.

[3] 史玉升，魯中良，章文獻，等. 選擇性激光熔化快速成形技術(shù)與裝備[J]. 中國表面工程，2006，19（s1）：150-153.