市面常用3D打印技术的主要差异在于成型方法和所用材料。目前主要的制造原理有烧结法、熔融沉积法、光固化法等。材料覆盖金属、高分子材料和无机非金属材料,材料的形式有粉末、丝材和浆料等。

熔融沉积工艺 FDM

FDM是目前民用最广泛的3D打印方式。FDM成型较慢精度也略低,但制造和组装成本相对较低,目前有大批的厂商及开源项目发展中。熔融沉积加工原料多为丝材(部分可使用颗粒料,成本更低),方便挤出机牵引,同时在加工过程中丝材在挤出头内起到活塞的作用,推动前端已经受热熔化的材料挤出。

FDM机器根据运动方式及步进电机的分布可以分为i3结构、三角洲结构及core-xy结构。i3结构结构简单且为开放式结构易于组装。三角洲结构更简单,占用空间小。core-xy结构相对稳定且打印精度高,但组装比较复杂。加热挤出机构根据挤出机距离喷头的远近可以分为近端挤出和远端挤出,近端挤出的挤出机更靠近挤出头,可以打印相对柔软的材料如TPU等,远端挤出由于挤出机到挤出头的距离较远,只有硬质材料才能较好地传递力的作用,因此不易打印软质材料。打印过程中丝材受挤出机牵引,经加热块融化,由挤出头输出附着在打印平台上。挤出头的位置由运动控制系统的步进电机控制,印刷平台可以在Z轴上相对于喷嘴移动如图。具体的运动方向由预先切片生成的G-code控制。以下为一段用于3D打印G-code代码,XYZ为挤出头坐标,F为速度,E为挤出量。

G92 E0;重置挤出机
G1 Z2.0 F3000;Z轴抬升
G1 X10.1 Y20 Z0.28 F5000.0;移动到原点
G1 X10.1 Y200.0 Z0.28 F1500.0 E15;画线
G1 X10.4 Y200.0 Z0.28 F5000.0;偏移一段距离
G1 X10.4 Y20 Z0.28 F1500.0 E30;画线

上述示例G-code执行完毕后打印机会打印出两条相邻的线。

熔融沉积工艺打印材料在打印过程中高温熔融,容易产生刺激性气味气体,个人玩家需要注意通风。

由于加工过程中分层制造,层间分子交联少,结合力主要为范德华力,因此在在垂直于片层方向上强度更低,在设计及切片阶段要注意模型的受力方向。整体强度在3D打印产品中偏高。

FDM切片层厚一般在0.1mm-0.4mm,产品层纹较明显,同时由于FDM材料通常使用PLA及ABS材料。硬度较高,因此后处理打磨上色较为困难。在设计阶段装配间隙需要留大概0.3-0.4mm。

FDM常用的原材料有聚乳酸、聚碳酸酯、ABS等丝材。材料本身为热熔所以容易嵌铜螺母。同时FDM工艺可以制造传统工艺难以制造的嵌套结构及多孔中空等结构。

目前玩家代打价格根据材料0.1-0.4元/克,国内工厂大多采用复志设备,质量通常更佳。

光固化工艺

光固化使用激光或紫外光作为固化能量来源,光敏树脂液浆作为材料进行打印。光敏树脂是指经过紫外光照射后光固化树脂体系中的光引发剂会吸收紫外光的辐射能量形成活性基团如自由基,进而引发光固化树脂体系中包含不饱和双键的物质之间发生聚合的化学过程,最终形成一种交联的立体网络状的高分子聚合物。光固化系统的主要组成部分包括成型平台、料槽、传动机构和及光源系统。根据光源的不同可分为SLA、DLP和LCD。大部分光固化工艺成型精度较高,制件结构轮廓清晰且表面光滑。

SLA

立体光刻(Stereolithography Apparatus,SLA),最早由Charles W.Hull提出,是发展最早的3D打印技术之一。SLA工艺是目前研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术,主要应用于工业生产,在商用领域有大规模应用。

主要机构由运动控制系统、激光系统和材料槽组成。SLA大多为下沉式工艺,使用紫外激光(355/405nm)对液态光敏树脂进行扫描,用振镜系统控制激光扫描路径,选择性地固化液体树脂使其逐层凝固叠加成型,激光扫描完一个截面后平台下降液面相对上升形成一个液面薄层激光继续扫描。影响SLA成型精度的主要因素为振镜系统的精度及树脂的性能。树脂在打印过程中可能存在收缩变形,影响最终成品的尺寸稳定性。

SLA加工路径类似FDM但扫描速度比FDM快得多因而成型较快。成型尺寸较大,目前通过光机拼接可以整体制作1m以上的模型。层厚一般为0.05mm,因而层纹不明显,表面更加光洁细腻,同时使用的材料硬度大都偏低,因此有利于后期打磨处理。打印件的精度可达到100mm内±0.1mm,设计装配时需要预留0.1mm余量。材料略偏热固性容易热分解所以设计内嵌铜螺母时余量比常规要偏大一点。

目前工厂及淘宝大部分光固化为SLA工艺,表面精度和价格都比较有优势,市场价格0.3-1元/克不等。

DLP

数字光处理(Digital Light Processing)技术使用激光投影仪作为光源,采用高分辨率的数字处理器投影仪替代SLA激光,与SLA扫描不同的是DLP投影的是模型截面,因而较SLA扫描来说成型速度更快。同时打印表面可以保留较多的细节。

目前打印最精细的工艺,市场标注德国红蜡的一般为DLP打印机,细节表现力很好,价格10-20左右。

LCD

LCD技术成型原理与DLP相似,不同之处在把投影仪换成了成本更低的LCD屏幕,屏幕下面有紫外光源,屏幕显示模型截面的黑白图像控制光线是否通过。LCD工艺多为上拉式,在屏幕与成型平台中间有一张不与树脂黏附的离型膜,平台下降到树脂液面以下,距离型膜一薄液层,LCD屏幕开启紫外光通过使树脂固化成型,随后平台上升,树脂流入平台与离型膜之间的空隙,重复以上过程得到模型。

液晶光固化的关键部件是液晶显示成像固化系统。由于紫外线的照射会缩短LCD屏幕寿命,因此屏幕为耗材需定期更换,早期由于LCD屏幕分辨率的问题打印件可能会出现水平方向上的像素纹,目前随屏幕分辨率的提升层纹问题逐渐减小,细节表现力也可以满足大多数需求。

目前LCD个人玩家较多,购买设备的话需要谨慎,虽然细节表现力较好但是个人使用需注意防护,树脂挥发分较多,气味重,且打印及清洗容易弄脏周围环境。

目前光固化成品大都偏刚性,相比其他材料容易摔碎,部分材料材料可以表现韧性或透明,但大多不持久。目大多数树脂为单组份,层间结合力还是范德华力,少部分有双组分树脂需要二次加热固化性能会提高很多。

LOM

分层实体(LOM)制造的原材料为涂有热敏胶的片材,使用激光切割出模型截面的轮廓,切割后送料机把新一层片材叠加上去,利用热压装置叠加,再进行新一轮的切割,如此往复,最终形成打印件。LOM制造技术通常使用小功率激光器同时原材料成本低,加工时只需要切割外轮廓,材料没有收缩翘曲等现象,加工精度高且加工速度快。

目前个人市场小,主要用来制作模具等。

粉末烧结

粉末烧结一般用于尼龙或金属打印,打印件强度高,但表面有颗粒感较为粗糙。金属后处理需要线切割,成本较高且复杂,目前较少用于民用产品,大多用于商业及军工用途。烧结由激光或电子束提供烧结粉末材料所需的能量,通过刮刀铺粉及激光烧结制造零件。

尼龙

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering SLS)不需要添加支撑。在加工过程中,用刮刀铺设一层粉末材料,然后将粉末加热到刚好低于燃点的特定温度。控制系统控制激光束扫描粉末层,使粉末温度上升至熔点进行烧结,并与印刷平台粘合。当第一层完成时,工作台减少一层的厚度,铺粉辊在成形件的上表面铺设一层均匀致密的粉末,第二层烧结,重复以上过程直至整个模型完成。成型过程中未烧结粉末提供支撑作用。通常使用尼龙和苯乙烯等粉末,强度很高。

表面粗糙一般用作结构件,长时间使用需根据性能表考虑蠕变,原件一般为白色或黑色,有定制需求可以染色,颜色选择较少。目前价格5元左右,部分尼龙材料厂家价格更优。

金属

SLM是SL技术的一种。它是利用激光束对金属粉末进行选择性熔化形成的,利用SLM技术可以直接形成密度几乎完全的金属工件。SLM的优点是不需要粘结剂,成型精度和力学性能均优于SLS。SLM又衍生了DMSL,二者区别是SLM单一组分的的金属粉末,而DMSL使用的粉末为多组分的金属粉末。SLM可以制造可制造复杂结构的零件,机械性能媲美铸造材料。电子束熔融技术(Electron Beam Melting,EBM)是一种新兴的先进金属增材制造技术,使用电子束烧结金属,与SLM不同的是操作环境处于真空,因此烧结后无空隙产生,结构致密强度大。但成型设备需要真空腔同时使用电子熔融易产生X射线辐射,需要额外防护。

粉末烧结的通病就是表面粗糙,金属打印可配合机加工抛光。价格10元/克起,无异形件等建议使用机加工或线切割。

喷墨打印

喷墨打印(Ink Printing Technology)可用于树脂或金属打印,通过喷射树脂液滴或金属微熔滴逐层制造。使用3DP工艺,打印过程中先铺一层粉末,然后喷洒粘接剂粘连,打印平台下降继续铺一层粉末,重复上述过程得到样件。喷墨树脂打印混合墨水可应用于彩色打印,用于展示等用途。喷墨打印可选择的材料种类繁多,打印精度高。

可以彩打,目前应用比较多的是Stratasys的polyjet和珠海塞纳的设备,一些日本厂商也有生产此类设备。