制造业革命——3D打印的主流工艺盘点 - 全文

　　大家对3D打印这个热门概念应该都或有耳闻，下面给大家介绍一下3D打印的主流技术及其工艺，希望能够帮助大家更深一步了解3D打印的工作原理和其工作特点。

　　现在我们来看看3D打印的主流工艺流程。

　　熔融沉积造型（Fused deposition modeling，FDM）

　　

　　FDM 可能是目前应用最广泛的一种工艺，很多消费级3D 打印机都是采用的这种工艺，因为它实现起来相对容易：

　　FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。

　　这个过程与二维打印机的打印过程很相似，只不过从打印头出来的不是油墨，而是ABS树脂等材料的熔融物。同时由于3D 打印机的打印头或底座能够在垂直方向移动，所以它能让材料逐层进行快速累积，并且每层都是CAD 模型确定的轨迹打印出确定的形状，所以最终能够打印出设计好的三维物体。

　　光固化立体造型（Stereolithography，SLA）

　　据维基百科记载，1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺，现在的快速成型设备中，以SLA的研究最为深入，运用也最为广泛。平时我们通常将这种工艺简称“光固化”，该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂。

　　与其它3D 打印工艺一样，SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前，将物体的三维数字模型切片。然后电脑控制下，紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

　　

　　当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。

　　SLA 工艺的特点是，能够呈现较高的精度和较好的表面质量，并能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。

　　选择性激光烧结（SLS）

　　数字模型分层切割与逐层制造是3D 打印工艺的基础，这里往后就不再赘述了。除此之外，SLS 工艺与SLA 光固化工艺还有相似之处，即都需要借助激光将物质固化为整体。不同的是，SLS 工艺使用的是红外激光束，材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末。

　　先将一层很薄（亚毫米级）的原料粉未铺在工作台上，接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度，按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。

　　

　　一层扫描完毕，随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，然后再开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，再经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。

　　目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未实际应用。

　　层片叠加制造（Laminated object manufacturing，LOM）

　　在层片叠加制造工艺中，机器会将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热，热溶胶在加热状态下可产生粘性，所以由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料就会粘接在一起。接着，上方的激光器按照CAD 模型分层数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层箔材，通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割。然后重复这个过程，直至整个零部件打印完成。

　　

　　不难发现，LOM 工艺还是有传统切削的影子。只不过它不是用大块原材料进行整体切削，而是将原来的零部件模型分割为多层，然后进行逐层切削。北京太尔时代最开始研发的3D 打印机也是LOM 工艺的3D 打印机，不过因为采用纸作为原料，用激光切割存在点燃风险，且应用受限，所以太尔时代后来转而主攻FDM 工艺。

　　三维印刷工艺（3D printing，3DP）

　　三维印刷，也称三维打印。维基百科显示，1989年，麻省理工的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善，并最终形成了今天的三维印刷工艺。

　　

　　从工作方式来看，三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样，3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件，不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结，而是通过喷头喷出的粘结剂。

　　喷头在电脑控制下，按照模型截面的二维数据运行，选择性地在相应位置喷射粘结剂，最终构成层。在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个等于层厚度的距离，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由铺粉辊推到成型缸，铺平再被压实。如此循环，直至完成整个物体的粘结。

　　正面这台设备就是上拓科技使用中的3DP 打印机ZPrinter。