武汉易成三维科技深入介绍材料挤出、材料喷射、粉末床熔融、光聚合等3D打样工艺

概述

自发明以来的近40年中，3D打印或增材制造已经取得了显着的进步和多样化。ASTM International是建立和定义行业标准的全球协会，为3D零件制造的不同方法创建了特定的类别。下面的列表包括其中一些类别，但是每年都会出现新的过程和杂交，挑战全球定义。
目前的增材制造类别或系列是：材料挤出，材料喷射，粉末床熔融，光聚合，粘合剂喷射，定向能沉积和片材层压。

材料挤出： FDM

材料挤出是增材制造，其中通常熔化的异形材料珠通过计算机控制的喷嘴挤出。这种材料建立在自身，构建平台或支撑结构之上，以形成零件的形状。

熔融沉积建模

熔融沉积建模，FDM，也被称为熔融长丝制造，FFF，在其桌面对应物中。FDM工艺使用一卷热塑性材料。长丝材料未卷曲并送入加热的挤出机，在那里由喷嘴沉积。对于大多数FDM平台，喷嘴在X和Y方向上移动，而平台在形成零件时在Z方向上进一步移动。

FDM具有用户友好的独特优势，因为它不需要密封的构建室或复杂的热性能。原材料也易于在开放环境中处理和储存。由于材料在沉积后立即硬化，因此FDM工艺需要支撑结构来支撑悬垂特征。这也允许在零件的实心中心之外生成各种填充物。填充物用于减少用于生产具有大内部质量的零件的材料和时间。填充物看起来像零件中的内部网格。虽然填充物确实对重量和价格有好处，但与实心填充相比，它们可能会降低零件的强度。

商业使用的平台通常具有至少两种材料和挤出头的FDM机器 - 一种用于零件，另一种用于支撑材料。支撑材料通常可溶于氢氧化钠（NaOH）或苛性碱溶液，在浸泡循环后仅留下完成的部分。像武汉易成三维科技这样的专业3D打印服务使用Stratasys Fortus FDM系列，因为它具有高可靠性，多样化的材料选择，并构建了长达三英尺的平台。

材料喷射：聚喷嘴

材料喷射是一种选择性地将材料的微滴沉积在构建平台上的过程。材料喷射看起来类似于3D喷墨打印工艺，可以生产高细节的零件，并且通常具有使用多种材料，多种颜色或两者的能力。它通过有选择地逐个像素地沉积材料来实现这一点。
这不要与粘合剂喷射混淆，其中喷射粘合剂用于将材料逐层粘合在一起，通常在粉末床上。材料喷射是直接沉积零件材料。

PolyJet是"聚合物喷射"的一种门钉，是一种材料喷射工艺，使用喷墨选择性地沉积UV固化的液体树脂。打印头上的灯在一次运动中固化沉积的材料，使液体硬化，并且构建托盘逐渐远离打印头以达到构建高度。PolyJet 需要一种以相同方法沉积的支撑结构，看起来像凝胶。PolyJet 支撑结构通常手动移除以保持精细细节，然后用水射流或可溶性浴完成作为精加工步骤。由于支撑结构是另一种被喷射的材料，因此除非像苏格兰-Brite垫一样用磨料彻底处理或擦洗，否则零件的外表面通常存在模糊的差异，否则会产生粘稠的感觉。

数字材料

材料喷射的一个独特特征是能够获取单个材料并将其沉积在微观数字矩阵中，以修改整体零件属性。例如，PolyJet 的 Vero 系列是刚性、类似塑料的光敏聚合物，其 Tango 系列是类似橡胶的材料。Tago材料固有地具有较低的邵氏A硬度计，但是在矩阵中加入一些Vero刚性材料的数字材料可以模拟更高的邵氏A值，甚至更低的邵氏D值，而无需调整打印机中的进纸材料。

数字材料还可用于将着色树脂组合在一起，以在零件上以三维方式打印颜色、图像和纹理。结合不同刚度和硬度的打印能力，材料喷射平台是用于工程和营销评估的强大工程原型平台。

PolyJet 中的数字组合由软件（前缀 DM-）预定义，通常具有刚性和柔性材料之间的机械性能。

多材料和模拟二次成型

数字材料可以有选择地应用于3D模型的数字实体。这可以用来模拟包覆成型的零件，通常橡胶特征在刚性基板上，例如手柄，而不需要单独的印刷品。在某些制造技术中，这也可用于构建支撑或牺牲结构 - 例如XJet的技术，该技术可以通过材料喷射打印金属和陶瓷。

粉末床熔融：SLS、HP MJF、DMLS

粉末床熔融
粉末床熔融或PBF是一种增材制造工艺，其中塑料或金属部件通过选择性地熔化粉末原材料中的模型特征而形成。通常，该过程是逐层完成的，将零件与热源（如激光）融合在一起。由于PBF在真实金属和热塑性塑料中产生完全致密的部件，因此它被广泛用于最终用途的生产组件。

此外，塑料PBF的优点是不需要牺牲支撑结构。这意味着可以使用所有可用的生成卷将部件批量嵌套在生成中。使用PBS工艺的印刷热塑性塑料部件悬浮在松散的，未熔融的粉末中，这些粉末通常在后处理过程中通过喷砂去除。由于这些优点，PBF塑料工艺（如选择性激光烧结和HP Multi Jet Fusion）往往是快速生产最终用途3D打印塑料零件的最经济方法。
复杂性、晶格和数字泡沫
许多PBF制造技术的一个共同主题是它们能够准确地生产复杂的有机特征。这些特征通常非常复杂，以至于需要复杂的3D计算机生成软件，例如用于拓扑优化或晶格生成的软件。特别是晶格，非常适合PBF工艺，因为在解析精细特征时，该工艺通常更宽容，并且材料本身更坚固。晶格结构可以产生强大的结构特征，而不会产生不必要的重量;航空航天和医疗应用的强大应用程序。
在一些热塑性PBF平台中，例如选择性激光烧结，使用晶格与延展性材料相结合可以产生"数字泡沫"。这些数字泡沫可以进行调整，以吸收冲击并通过3D可打印的开孔设计分配能量。数字泡沫可以替代填充物，鞋垫，运动服和其他生活方式行业中泡沫的传统用途。由于晶格的开放结构，数字泡沫比闭孔浇注、铸造或模塑泡沫提供更好的通风和热量分布。

选择性激光烧结，俗称SLS，是一种激光粉末床熔融工艺（LPBF），其中一层细小的尼龙粉末铺在加热的腔室中，激光将熔合零件的横截面。一旦在 XY 和 Z 方向上融合了一整层横截面，将该层融合到已创建的零件特征，构建区域就会逐渐向下移动，并沉积一个新层以供该过程重复。工业SLS 3D打印设备的主要参与者是EOS（Electro Optical Systems）和3D Systems。工业竞争正在出现，例如Farsoon，随着关键专利以及FormLabs和其他低成本替代品设备的到期。

SLS是一种制造散装塑料零件的强大方式，因为没有支撑结构要求。熔融工艺称为烧结，可产生具有哑光、方糖状表面光洁度的固体部件。通常，SLS部件由尼龙制成 - 最着名的是尼龙12（聚酰胺12，PA12），因为熔体温度窗口非常窄且粘度高，从而在部件上实现更好的控制和特征分辨率。SLS工艺还可以生产尼龙11（聚酰胺11，PA11），TPU，PS，PP，PEKK，PEEK等部件。尼龙12和尼龙11的变体是迄今为止最商业化的。

一些 SLS 材料已使用不同的填料选项（如玻璃珠、矿物、碳和阻燃添加剂）进行了增强和改性。重要的是要注意，由于原材料的粉末状态，碳纤维等添加剂不是长链，但是它们可以帮助使零件更轻，更硬，但以零件延展性为代价。

3D 打印粉末床融合工艺。与选择性激光烧结（SLS）一样，该过程从热塑性材料的加热粉末床开始。但是，HP MJF 不使用激光来熔断 SLS 等部件。MJF平台使用喷墨熔融剂，该熔断剂将专门沉积在该构建层的零件横截面上。第二种材料（称为详图设计剂）也沉积在熔融剂的边缘周围，以便为零件切片创建定义的边缘。这是在一次运动中快速完成的，然后是一个贯穿整个构建区域的热棒。发射的热量不足以熔化未接触的材料，但确实会导致熔化，其中存在熔融剂，从而形成固体零件特征以及熔融到下面的零件层。一旦热棒通过，构建区域就会略微降低，并平滑地沉积一层新鲜粉末，以便重复该过程。

与 SLS 一样，HP MJF 可以构建没有支撑结构的部件，因为它们在构建过程中悬浮在未熔融的粉末中。随后在后处理过程中将零件与粉末分离，并进行喷砂处理以除去多余的材料。与 SLS 相比，HP MJF 的一个具体优势是融合每层所需的时间。SLS使用激光，该激光将通过在粉末床上的之字形运动快速融合该层。对于较大的横截面，激光器每层将花费更多时间，这将因每个构建层而异。对于 HP MJF 系统，由于喷墨沉积熔融剂和详图绘制剂在构建区域中快速传播时同时存在，因此每层熔点的融合更加一致。接下来是同样快速的热棒移动，在层之间留下不变的熔化时间。与 SLS 平台相比，HP MJF 具有更高的整体构建吞吐量，这使其成为 SLS 的强大替代方案。由于每层暴露于热量的时间减少，该材料也更具可回收性，这可能会降低构建性能。目前，SLS在构建尺寸和材料选择方面仍然具有优势。

由于该过程与SLS相似，因此许多材料选择都是基于尼龙（聚酰胺，PA）的。整体零件性能与SLS相似，抗疲劳性略高。由于采用了融合剂和细节处理剂，HP MJF 部件在外部呈现哑光灰色，在内部呈现深黑色。以下是 HP MJF 可用的一些常见材料。

• HP Multi Jet Fusion 3D
  打印材料包括：HP 3D 高可重用性 PA 12采用通用尼龙 12 制造零件。这是该工艺中最广泛使用的材料。PA 12 是刚度和柔韧性的良好结合，适用于轴承座、固定装置和管道系统。
  
  HP 3D 高可重用性 PA 12 玻璃珠是另一种常见的材料，与 PA 12 相比，可提供 30% 的玻璃填充，从而提高刚度。该材料尺寸更稳定，不易翘曲和挠曲。
  
  HP 3D 高可重用性 PA 11是一种尼龙 11，比尼龙 12 更具延展性。PA 11 适用于可能需要更高抗冲击性的卡扣、夹子和特征。
  巴斯夫Ultrasint TPU01是一种具有类似橡胶柔韧性的热塑性聚氨酯材料。TPU 可用于可穿戴设备、数字泡沫、鞋垫和其他需要坚韧的橡胶状材料的功能。
  越来越多的材料正在商业化。

惠普彩色 3D 打印

惠普开发了特定的熔融和细节代理，可以使用 Multi Jet Fusion 工艺为零件赋予颜色。此过程有可能直接在打印中添加颜色，徽标，标记和其他功能，而无需后处理。颜色和详细信息必须嵌入到兼容文件中，例如颜色 STL、VMRL、AMF 或 3MF 格式。

直接金属激光烧结

直接金属激光烧结（DMLS）是一种金属增材制造工艺，其中粉末材料通过激光逐层熔合，形成致密的金属物体。DMLS的其他名称是直接金属激光熔化（DMLM），LaserCusing和选择性激光熔化（SLM）。与其他粉末床熔融（PBF）工艺一样，DMLS将选择性地熔化和融合每层3D打印部件的横截面，并具有足够的能量，使熔化的材料也与下面的层融合。与选择性激光烧结等塑料PBF技术不同，DMLS要求第一层与构建板熔合，以及由于熔化和冷却金属时产生的强烈应力而产生的牺牲支撑结构。这意味着DMLS中的3D打印金属部件可以彼此相邻嵌套，但不能像塑料粉末床技术那样彼此上方嵌套。

通过DMLS的金属3D打印部件将具有哑光颗粒表面，类似于铸造部件。这是由于基材是粉末，以及激光在构建零件时如何融合特征。支撑的面孔通常会显示小酒窝或网格状图案，其中牺牲结构被移除。金属3D打印平台包括来自EOS，SLM Solutions和Concept Laser等工业OEM的平台。

直接金属3D打印材料包括：

• 铁基合金，如316L不锈钢、17-4PH不锈钢和马氏体时效钢，用于工业、汽车和医疗应用。
• 像AlSi10Mg这样的铝合金在刚性，轻质，3D打印和铸造铝部件的直接替代品中非常受欢迎。
• 钛基合金，如Ti6Al4V 5级钛和ELI钛，用于航空航天和医疗应用。
• 钴基合金，如钴铬钼（CoCrMo）用于医疗设备。
• 铜基合金（如 CuCr1Zr 合金）为热管理设备和电气连接器提供了设计自由度。
• 镍基合金由于其在高温下的性能而广泛用于航空航天。铬镍铁合金718和铬镍铁合金625是DMLS中使用的两种常见镍合金。
• 越来越多的材料正在商业化。

光聚合是业内历史最悠久的增材制造工艺之一。该过程包括一个材料室，其中包含使用紫外线（UV）光选择性固化的液体材料。通常，这是紫外激光或紫外DLP投影仪。构建板远离固化表面，树脂通过重涂刀片引入，或者树脂可能自然地流入下一层。由于固化的特殊性质，大桶光聚合中使用的材料是热固性光聚合物。这些材料经过专门设计，可以"像"不同的常见热塑性塑料，如ABS，聚丙烯或聚碳酸酯。在初始打印之后，大多数3D打印的光聚合物需要在专门的腔室中进行二次紫外线固化。某些材料还需要热固化后激活材料中的潜在特性，以提高性能。

与选择性激光烧结（SLS）或熔融沉积建模（FDM）等其他工艺相比，Vat光聚合工艺（如立体光刻（SLA））以在打印件中实现令人难以置信的高细节以及更光滑的表面而闻名。与FDM和DMLS一样，该过程需要使用牺牲支撑结构来产生悬垂特征。这需要将打印的第一层零件融合到构建板上。

光聚合中的构建方法

虽然结果相似，但使用大桶光聚合来生长3D打印部件的主要方法有两种。第一种是构建板从树脂槽的顶部开始向下移动，当零件在每个相应的顶层上固化时，浸没到树脂中。在这种方法中，用重涂刀片铺展液态树脂，以在UV光束暴露之前形成光滑的表面。紫外激光或DLP投影位于树脂上方，向下照射到表面上。每一层循环都会使下面层上的树脂硬化。这通常在较旧的平台以及大幅面机器上发现。

另一种方法是将构建托盘开始浸没在树脂桶中，然后在层固化时逐渐向上和向上移动到树脂上方。在这种情况下，零件是倒置构建的。为了获得紫外线固化，树脂盆必须具有透明的底部，允许激光或投影通过。这种方法的一个好处是打印所需的树脂更少，只需要足够的树脂即可完全覆盖盆底以进行均匀固化。这种方法也不需要重涂器，并且通常依靠自然液体流动来填充构建托盘向上移动时产生的间隙。其中一些系统具有摇摆机制，以促进材料流动，并有助于释放粘附在树脂盆透明底部的任何硬化构建材料。用这种方法制造的零件也可能受益于更多的再生材料从零件滴回构建区域。这些类型的平台通常规模较小，但是，使用此方法正在出现较大的平台。

立体光刻

立体光刻，通常被称为SLA，是一种常见的3D打印过程，使用大桶光聚合来创建对象。SLA部件由紫外线（UV）光选择性地从底部到顶部逐层固化横截面轮廓形成。紫外光通常来自紫外激光，但也可以由数字光投影仪（DLP）产生。DLP方法受益于能够立即固化整个横截面，从而缩短层间的时间。

SLA材料通常设计为与传统热塑性塑料一样，但属于热固性聚合物。打印后，SLA材料在专门的光室中经过紫外线固化，以确保所有材料完全硬化。牺牲支撑结构在SLA过程中用于启用悬垂功能。这些支撑是手动移除的，残留特征可以很容易地打磨。

由于SLA部件由树脂制成，因此其自然打印表面比其他3D打印方法更光滑。SLA 3D 打印受益于简单的后处理，如喷蒸汽、打磨、抛光或喷漆。这使得SLA材料成为装饰原型，模型制作以及拟合检查工程模型的理想选择。透明树脂，如Accura ClearVue，可以使用手动抛光和有光泽的透明涂层进一步后处理，以实现近光学清晰度。

数字光合成

Carbon，Inc.开发了一种称为数字光合成™或DLS™简称为DLS的过程。该过程生长的部件类似于基于DLP的SLA方法，其中构建托盘开始浸没在树脂浴中，并且DLP UV横截面通过树脂盆的透明底部投射。当材料固化时，构建板与零件一起从盆中抬起。

碳纤维DLS™为印刷工艺和所用材料提供了独特的创新。DLS™过程连续打印，投影仪显示与构建板的Z运动相对应的零件幻灯片数据视频。这是由于树脂盆底部有一个独特的透氧窗口，光线照射进来。这在窗户和零件之间形成了一层非常薄的材料，即使暴露在紫外线下，也不会固化。在打印过程中，未固化的液体区域很容易在上述固化材料和下方窗口之间流动，从而允许连续移动，而无需层停止或任何其他打印释放运动。

Carbon DLS的第二个独特价值主张™是工艺中使用的工程材料。连续打印允许特征集打印各向同性，而不会因构建方向而产生机械能力差异。例如，熔融沉积建模 （FDM） 具有高度各向异性，其中在垂直方向上构建的特征比构建板平面构建的特征弱。大多数DLS™材料在印刷和清洁后需要紫外线二次固化，类似于立体光刻（SLA）。此外，DLS™材料可能需要通过受控的烘箱工艺进行热后固化，以激活独特的材料化学成分，从而增强零件的物理性能。

由于材料的最终用途性质、各向同性特性以及大桶光聚合打印件相对光滑的表面，DLS™最适合于中小批量生产，而不是一次性原型。当前的打印机平台 M1 和 M2 具有较小的构建区域，非常适合可排列在构建托盘上的小型工件。Carbon L1是一个更大的平台，未来的Carbon打印机将实现更大的生产可行性部件。

其他3D打印工艺

随着增材制造扩展到已建立的制造市场，新颖的3D打印工艺和现有工艺的创新经常发生。前面讨论的3D打印工艺是最常用的，特别是粉末床熔融，大桶光聚合和材料挤出工艺。下面列出的工艺组在增材制造中具有自己的可行性和成熟度。

粘合剂喷射
粘合剂喷射是一种3D打印技术，利用喷墨将粉末基材料逐层粘合在一起。用这种方法制造的零件在印刷形状后通常需要额外的处理。喷墨粘合剂将零件几何形状保持在脆弱的"绿色"状态。对于非金属工艺，绿色部件可能会渗透或浸入液体剂中，从而导致材料硬化。例如，一些陶瓷基粘合剂喷射工艺需要CA +浸渍（超级胶水）才能使结构刚性。粘合剂喷射聚合物和陶瓷的一个好处是喷墨可以在印刷品中引入全彩色。
粘合剂喷射也用于金属3D打印。与在打印过程中制造固体部分的直接金属激光烧结（DMLS）不同，金属粘合剂喷射要求绿色部分通常经过脱脂过程（制造"棕色"部分），然后是炉后烧结。金属粘合剂喷射超过DMLS的一个好处是它能够在没有支撑结构的情况下制造更复杂的几何形状，从而大规模创建更便宜的零件。金属粘合剂喷射的缺点是，炉膛步骤通常会在特征集之间产生不可预测的收缩。大多数生产活页夹喷射项目需要多次迭代来调整3D文件以进行重复打印，并取得可预测的成功。

定向能量沉积
定向能量沉积（DED）是一种将惰性气体中的金属材料吹到构建基板上的过程。材料通过激光等能量源熔合到基板上，从而产生质量的积聚。DED 创建接近净值的形状，其中细节级别较低或粗糙。沉积的材料通常用于机器后处理。

DED的独特之处在于它可以安装在专用平台中，也可以作为现有加工中心的模块化补充进行安装。它也不需要传统的构建板，可以焊接到任何兼容的基板上，甚至是其他制造的部件。这使得DED在维修方面功能强大，它能够将材料添加到碎裂或开裂的特征中，例如用于特定后加工的叶轮。定向能量沉积技术的一个考虑因素是设计必须是自支撑的，因为该过程本身不能创建更小的详细支撑结构。这就是为什么许多DED特征是圆锥形或圆柱形的原因。

电子束熔化
电子束熔化（EBM）是一种粉末床熔融技术，它使用受控的电子束逐层构建金属部件以创建熔池。该过程与直接金属激光烧结（DMLS）的不同之处在于其能量来源，即电子束与激光，以及其构建条件，即加热室与室温。与Arcam AB制造的EBM机器一样，可以加热到900摄氏度及以上，从而在打印过程中具有一些优势。与DML相比，EBM最显着的优势是零件不需要传统的支撑结构或粘合到构建板上。EBM部件可能具有牺牲结构，以促进散热。

电子束熔化在医疗植入式工业中最为广泛。像钛ELI这样的金属在脊柱植入物，股骨植入物和髋关节植入物中很常见。通常，EBM 特征是后加工的，但出于机械或结构目的，可以在最终零件上保留晶格等特征。