1.2 现阶段3D打印成型原理

现在市场上充斥着许多类型的3D打印机，虽然都有着同样一个名字，但是在价格、性能、成型方式、成型材料等方面都有着天壤之别。造成这种差异的主要原因，就在于3D打印本身存在着多种成型原理。而每一种成型原理都能满足3D打印的使用条件，并由此衍生出大量的3D打印机。因此，要了解3D打印，就必须要了解它的成型原理。目前主流的成型原理有以下五种：熔积成型法（FDM）、激光粉末烧结法（SLS）、光固化成型法（SLA）、三维打印黏结成型法（3DP）、分层实体制造法（LOM），分别介绍如下。

1.2.1 熔积成型法（FDM）

熔积成型法，即FDM（Fused Deposition Modeling）成型法，也称作“熔丝制造法”（Fused Filament Fabrication，FFF）。该方法属于线材挤出热熔成型一类，是目前市场上最为常见的成型方法。

FDM技术是20世纪80年代由美国人Scott Crump发明的。在获得这项技术的专利后，他于1989年成立了Stratasys公司，是当今3D打印机的主流品牌公司之一，也是FDM工业级打印机的典型代表。FDM的成型原理是将线状（一般直径不超3mm）的热塑性材料（如PLA、ABS等）通过喷头加热熔化，然后在喷头底部带有一个微细的喷嘴（即成型嘴，直径一般在0.2～0.6mm），当材料以一定的压力挤喷出来后，喷头同时沿水平方向移动，使挤出来的材料与之前一个层面的材料熔结在一起，每完成一个层面的熔结，工作台下降一层的高度（或是喷嘴上移一层的高度），再继续熔融沉积，直至堆叠完成整个模型。

在打印过程中，为了防止模型的空腔或者悬空部分的坍塌，通常会自动打印出一些支撑部分，用以支撑模型。通常的FDM成型从头到尾都只会使用一种材料，这就意味着模型实体和支撑部分用的是一种材料，也增加了后续修剪的工作量和难度，如图1-6所示。而高级一点的FDM可以使用两种不同的材料，一种作为成型材料用来制造模型的实体部分；另一种作为支撑材料单独用来制造模型的支撑部分，以此种方式生成的支撑材料通常是水溶性的，打印完成后只需将模型泡在水中，便可自行去除支撑，且外观要较前者更为规整，如图1-7所示。

由于FDM的成型原理相对简单，无需高大上的技术，因此它的价格是3D打印中最为低廉的一种。现在市场上的桌面级3D打印机（如RepRap、Ultimaker、MakerBot等）绝大多数都是采用这种工艺的，其中最便宜的大约在人民币2000元，因此本书的创业出发点便是建立在FDM打印机上的，而对于其他原理的打印机则不予探讨。FDM使用的线状耗材与典型打印模型分别如图1-8和图1-9所示。

FDM技术的优点如下：

► 打印过程不会产生毒气及化学污染，可以在相对干净、安全的操作环境中进行，如办公室。

► 无须激光器等贵重元器件，造价低廉，工艺简单、干净，不产生垃圾。

► 原材料以卷轴线丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

► 材料利用率高，而且可以选取多种材料，如可染色的ABS、医用ABS、PLA、PC、PPSF等。

► 由于ABS材料具有较好的化学稳定性，因此可采用伽马射线进行消毒，使其特别适用于医疗。

FDM技术的缺点如下：

► 成型后表面粗糙，肉眼目测就可以观察到层状纹路。打印后需要进行手工打磨抛光处理，在制作小件或者精细件时精度不如SLA，且目前最高精度只能达到0.1mm左右。因此不适合精度要求比较高的应用。

► 不能打印尺寸很大的物体。由于材料本身的原因所限，在打印大件时由于温度差异，很容易导致变形，因此一般的FDM成型尺寸大致在200mm×200mm×200mm。

► 打印速度较慢。打印一个10cm左右的模型，时间差不多需要4～5小时。

► 需要额外打印支撑部分。

1.2.2 激光粉末烧结法（SLS）

激光粉末烧结法，即SLS（Selcetive Laser Sintering）成型法，也称作“选择性激光烧结法”。该工艺属于粉末状材料高能束烧结或熔化成型一类，是主要的金属成型法。

SLS技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard教授于1989年研制成功。SLS技术与3DP技术相似，都采用粉末材料，但SLS一般以金属粉末和陶瓷粉末为主。此外，不像3DP通过喷头喷黏结剂来黏结，而是通过激光烧结来黏结。它的成型原理，可以具体地概述为利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，再由计算机控制，最终层层堆结成型。SLS技术在打印时，会首先铺一层粉末材料，并刮平，接着将材料预热到接近熔点，再使用高强度的CO2激光器有选择性地在该层截面上扫描，使被扫描的粉末温度升至熔点，然后烧结形成黏结，接着再不断重复铺粉、烧结、黏结的过程，直至最终完成整个模型的成型。

SLS在民间市场应用不多，但在商业市场上采用得比较多，因为它与工业结合得很紧密，而且使用的材料也最为广泛，从理论上讲几乎所有的粉末材料都可以用来打印。像铸造行业对精度的要求不高，SLS技术打印出来的产品完全满足使用要求，目前的SLS打印精度大致与精密铸造相当。SLS也常常用来打印一些小的金属件，如首饰、工艺品等。SLS打印所需的粉末耗材和典型的打印产品分别如图1-10和图1-11所示。

SLS技术的优点如下：

► 成型材料种类丰富。除了金属以外，SLS技术还可以打印高分子化合物、陶瓷、砂等多种材料。

► 打印速度快。速度是所有3D打印技术中最快的，每小时打印高度可达3～4cm。

► 节省材料。前文已经说过，SLS技术是通过粉末烧结成型的，而所有未烧结过的粉末都会保持原状并自动成为模型实物的支撑性结构，因此无须像熔积成型那样建立支撑，而且这些粉末都能在下一次打印中重复利用。

► 可以打印金属。这是SLS技术最主要的优势，而且其打印出来的产品可具有与金属零件相近的机械性能，因此可以直接用于制造金属模，具以及单件、小批量的零件。

SLS技术的缺点如下：

► 成型后表面粗糙。粉末烧结后的表面粗糙，精度约为0.1～0.2mm，表面粗糙度在Ra 12.5左右，需要后续处理。而在后续处理的过程中，难以保证制件的尺寸精度，且后续处理工艺复杂，加工难度大，样件易变形，无法用于装配。

► 强大不大，易变形。SLS技术目前无法直接成型高性能的金属零件，而且在成型较大尺寸的零件时，容易发生翘曲变形。

► 准备时间和冷却时间长。在开始打印前，要先将粉末加热到熔点附近，光这一准备工作就需近2小时的时间；而当零件打印完成后，还不能直接将零件从粉末缸中取出，至少还要等上5～10小时的时间，待成品完全冷却之后才可取出。

► 造价很高。由于使用了大功率的激光器，除了设备本身的成本外，还需要很多辅助的保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户难以承受，所以目前SLS应用范围主要集中在高端制造领域，现在还没有桌面级SLS打印机开发的消息。

► 打印环境比较恶劣。需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高，而且该工艺产生有毒气体，容易对人体产生伤害并污染环境。

除了SLS技术以外，打印金属的技术还有SLM、DMLS、LENS、EBM、EBDM等，由于这些技术仍处于实验室阶段，在市场上接触到的可能性不大，因此本书就不做介绍了，有兴趣的读者可以自行搜索。

1.2.3 光固化成型法（SLA）

光固化成型法，即SLA（Stereo Lithography Appearance）成型法，也称作“光固化立体成型”“立体光刻”“立体平板印刷”，有时也简写为SL。该方法属于液态树脂光固化成型一类，是模型表面质量最佳的成型方法。

世界上第一台3D打印机采用的就是SLA技术。这项技术由Charles. W. Hull发明，他也由此于1986年创办了3D Systems公司，也是如今3D打印机的主流品牌公司之一。SLA的技术原理是在树脂液槽中盛满透明、有黏性的液态光敏树脂，该种树脂在紫外激光束的照射下会快速固化。因此，只要激光束在计算机控制下根据分层数据连续扫描液态光敏树脂表面，利用液态光敏树脂经激光照射凝固的原理，层层固化光敏树脂，一层固化后，工作台下移一段精确距离，扫描下一层，并且保证相邻层可靠粘结，如此反复，便可成型出一个完整的模型。

提示：SLA用的激光与SLS所用的激光不同。SLA用的是紫外线激光，而SLS用的是高能量的红外线激光。SLA的耗材一般为液态的光敏树脂，而SLS的耗材通常为金属、陶瓷等粉末。

由于SLA的材料不是线材或者粉末，而是液态的树脂，不存在颗粒的结构，因此就可以做得很精细，最终模型的表面也相当光滑。不过SLA技术所用的材料却比SLS要贵得多，所有它目前主要用于3D打印薄壁的、精度要求较高的零件。也适合用来制作中小型工件，能够直接得到最终的塑料产品。在工业应用上，它还能代替部分蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模。SLA的耗材常为瓶装的液态光敏树脂，如图1-12所示。SLA打印的典型模型通常拥有光滑的表面，且具有一定的通透效果，如图1-13所示。

SLA技术的优点如下：

► 技术最成熟。SLA是3D打印技术中成型最早的，因此技术最成熟，大多数技术问题都有成功的解决方案。

► 打印速度快。打印速度比FDM快，比SLS慢，系统工作相对来说最为稳定。

► 成型范围大。与SLS、FDM那种小打小闹型的建模相比，SLA的成型范围就显得更为大气，据悉在国外已经有可以做到2米的大件，如已报道出来的汽车外壳等，均为SLA技术打印而成的。

► 尺寸精度高。SLA技术可以做到微米级别，打印精度在0.025mm左右。

► 表面质量好。SLA技术打印的模型表面质量是3D打印中最佳的，非常适合上色，因此可以用于小件及精细件的加工。

SLA技术的缺点如下：

► 设备造价高，使用和维护成本高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求很苛刻。

► 材料贵。SLA的主要打印材料就是光敏树脂，其价格昂贵，且成型后的各种物理性质有限，强度不高，不牢靠。

► 打印出来的成品不易保存。光敏树脂模型对储藏环境有很高的要求，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。光敏树脂固化后较脆、易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。

► 污染环境。皮肤过敏者忌用光敏树脂，如果光敏树脂传播至环境中，还会对环境造成污染。

► 需要自行设计工件的支撑结构。这是SLA技术最主要的缺陷之一，需要在建模三维模型的时候自主设计支撑结构，以确保在成型过程中制作的每一个结构都能可靠定位，支撑结构需要在未完全固化时手工去除，此过程容易破坏成型件。

1.2.4 三维打印黏结成型（3DP）

三维打印黏结成型，即3DP（3 Dimensional Printing and Gluing）成型法，也称作“喷墨沉积”。该方法属于液体喷印成型一类，是可支持多色打印的成型方法。

3DP的工艺类似于传统的2D喷墨打印机，是最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一，最早由美国麻省理工学院（MIT）于1993年研发。该技术利用喷头喷黏结剂，选择性的黏结粉末来成型。首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一层薄薄的粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷上一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化，然后在这一层上再铺上一层薄的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。如此层层黏结，层层叠加，从下到上，直至将一个模型的所有层都打印完毕，然后再把未固化的粉末清理掉，便可以得到一个三维实体的模型。

与2D平面打印机在打印头下送纸不同，3DP打印机是在一层粉末的上方移动打印头，并打印分层好的横截面数据。3DP技术打印成型的样品能与实际产品一样具有丰富的色彩，而且能够有很高的成型精度，可达0.09mm。3DP技术的耗材也是粉末，通常为石膏粉，如图1-14所示。典型3DP打印的模型外表粗糙，但是颜色丰富，如图1-15所示。

3DP技术的优点如下：

► 成型方便。无须激光器等高成本元器件，成型速度快，耗材也相对便宜，一般的玩具公仔用石膏粉即可。

► 不需要支撑。成型过程中不需要添加支撑，多余粉末的去除也比较方便，特别适合做内腔较复杂的原型。

► 可以打印彩色模型。这是3DP技术最大的优势，能够直接打印出彩色模型，而无须后期上色。目前市场上打印彩色人像的多是采用此种技术。

3DP技术的缺点如下：

► 最终模型强度低。由于石膏粉的强度很低，因此3DP打印出来的模型只能用作概念型模型，或者装饰品，而不能有实际用途。

► 表面粗糙。由于是石膏粉末黏结在一起的，所以成型模型的表面有颗粒状的凸起，手感很粗糙。

1.2.5 分层实体制造法（LOM）

分层实体制造法，即LOM（Laminated Object Manufacturing）成型法。该方法属于片、板、块材料黏结或焊接成型一类。

LOM是一种薄片材料的叠加工艺，出现于1986年，由Helisys公司提出。利用激光或者刀具切割薄层纸、塑料薄膜、金属薄板或者陶瓷薄片等片材，非模型区域则切割成若干小方块，便于后续去除。然后通过热压或者其他形式层层黏结，叠加获得三维实体零件。可以看出，LOM工艺还有传统切削工艺的影子，只不过它已不是对大块原材料进行整体切削，而是先将原材料分割为多层，然后对每层的内外轮廓进行切削加工成型，并将各层黏结在一起。

LOM适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短。使用小功率CO2激光器价格低、使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。由于制成的零件具有木质属性，特别适合直接制作砂型铸造模。LOM的耗材与打印案例，如图1-16所示。图示左下方为打印成品，后方则为打印耗材（实际打印中会被切割成碎片）。理论上讲任何片状的材料，如纸张、PVC板都可以作为LOM的打印耗材。

LOM技术的优点如下：

► 耗材成本很低。材料成本应该是所有打印技术中最低的一种，所打印用的材料甚至可以为常见的A4纸。

► 可快速成型尺寸很大的零件。由于LOM技术仅对模型外轮廓进行加工，内部无须加工，所以这是一个超高速的快速成型工艺（相对大型件来说比SLS快），常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。

► 不需要支撑。LOM打印过程不存在收缩和翘曲变形，因此无须设计和构建支撑结构。

LOM技术的缺点如下：

► 仅能打印结构简单的模型。LOM技术无法打印中空结构件，也难以构建精细形状的零件。

► 浪费材料。LOM技术使用的原材料种类较少，只能是纸、塑料和部分合成材料，目前常用的是纸。而且一次打印工作完成后，除了得到最终的模型外，其余部分均被激光切成碎片，无法像SLS那样重复利用。

► 尺寸精度低。Z轴方向的精度相比SLA要低，一般在0.1mm左右。

► 打印环境要求苛刻。LOM技术需要专门的实验室环境，且维护成本高。由于打印的材料为纸张等易燃品，因此当打印时温度过高可能会引发火灾，而且纸制模型很容易受潮，贮存环境又需要干燥。