浅谈3D打印机器原理

杨檩

前言

增材制造（Additive Manufacturing，以下简称AM），是20世纪麻省理工学院第一次提出的概念，我们现在一般把这种增材制造的方式成为“3D打印”[1]。传统的制造方式，一般是通过切割、铸造等方式，将一块材料打造成所需要的零件或毛坯，常见的工艺有铸造、焊接、锻压、注塑等。

增材制造其内部随着发展，也出现了很多种新的分类，按照打印原理的不同，有熔融挤出成型、选择性激光烧结、选择性激光融化、光固化成型、三维喷印等等。下面我们就根据原理的不同，来简要地阐述其成型工艺与机器的原理和应用场景。

1.几种主流3D打印技术

1.1熔融挤出成型技术——FDM

熔融挤出成型（FDM）是现如今使用最多，发展最成熟的“3D打印”方式，如图1-1，它通过将丝状的热塑性塑料，加热融化，在成型平面上挤出，然后遇冷固化成型[2]。

我们通常称之为“挤牙膏”。FDM这种工艺的机器有桌面级和工业级之分，目前市面上能够见到的，大多都是桌面级的打印机，价格从2000元到8000元不等，成型范围400mm*300mm*300mm左右，精度0.1mm左右，多用于教育、手模、文创等方面，市场普及度高，同时也是许多机械爱好者自我制作的工具之一。

FDM这种工艺目前主要存在几个问题：一是打印效率不高，我们要打印一个15cm左右高的手办，常常要花费10小时甚至更多；二是机器不附赠后处理方式，打印完成模型，支撑和平台还黏附在上面，且模型表面“台阶效应”较为明显，去支撑、表面抛光等等后处理需要手工完成，同时，常常因为模型精度有限，在手工拾取时，在小部件出容易出现断裂，从而导致零件报废；三是目前绝大多数FDM机器只能打印单色的模型，PLA和ABS两种常用材料打印完成后不易上色。

1.2 三维喷印技术——3DP

三维喷印技术是美国惠普公司现在在首推的一种打印的方式。如图1-2，通过将粉末一层一层铺平，然后用喷头喷射固化剂或粘接剂，使粉末粘接成型，然后再铺粉，再喷射粘接剂，一层一层重复，从而将整个零件成型。通过铺粉的方式，三维喷印的精度相比FDM有了较大的提升，但同样的，对于粘接剂和成型粉末的选择，有了更多的要求。

粉末方面，三维喷印技术因为要铺粉，所以对于粉末的球形度、粉末粒径分布以及粉末的流动性都有要求。目前较为成熟的几种成型粉末主要包括石膏、PVA、覆膜砂等，这几种粉末都可以和水进行较好的反应，从而粘接成型。

粘接剂方面，由于三维喷印是通过墨盒打印喷头（通常是压电式或热气泡式）喷射小液滴，所以对于粘接剂的表面张力、粘度都有要求。但同样的，由于是通过墨盒喷射，三维喷印这种成型方式完全可以通过加大喷墨口的数量，极大地加快打印的效率，笼统点说，FDM方式是通过一个点来画线，从而变成的面，再堆积成体，而3DP可以直接将喷墨口放成一条线，通过控制喷墨口喷墨，一口气喷射一层面，大大提升打印效率。

三维喷印还有一个好处就是，因为粘接剂是液态的，所以可以直接像彩色喷墨打印机一样，将颜料放入粘接剂中，打印多彩的模型。

1.3 光固化技术——SLA

光固化的成型方式的原理是紫外线光与一些液态的光敏树脂反应交联固化，从而成型零件（图1-3）。

光固化的机器一般价格不是太贵，比桌面级的FDM价格贵一些，但相比其他工业级的设备要便宜的很多，但光敏树脂较为昂贵，由于其不耐光的特性，其储存地点一定要放在没有光照较为阴暗的角落。光固化这种工艺在医疗领域应用较多，一些医疗机构的手术样品，牙科的模型，助听器的模型等等。由于是光固化的液体成型，往往成型的表面质量特别好，没有所谓的“台阶效应”，且无需去除支撑，做出的零件是半透明的，较为美观。

1.4 选择性激光烧结——SLS

选择性激光烧结技术是通过使用激光器，将一层层的粉末烧结成型（圖1-4）[3]。选择性激光烧结这种方式成型的材料往往是高分子材料，如尼龙、PP、热塑性聚氨酯、PS等等，所需的激光功率从几瓦到几十瓦不等，无需特别高的能量功率，且激光的精度较高，如果成型的环境控制的较好，成型的零件往往精度很高。但激光器目前主要是通过从国外进口，所以SLS设备的机器成本集中于激光器。与三维喷印相似，这种通过粉床铺粉的工艺，对于粉末要求较高。

SLS目前主要用于工业领域，华中科技大学史玉升团队曾做出过1000*1000超大台面的工业级打印机，对于成型大型砂型，在汽车发动机、航空航天、军用等都有广阔应用。同样的，打印成本较高，在民用领域使用场景还较为有限。

总结

本文对几种常见的3D打印原理进行了较为详细的讲述，分析了每种技术的优点以及目前技术本身发展的一些限制，并对各种技术所具体使用的材料，以及其机器的基本原理进行了较为详细的分析与介绍。

参考文献：

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

[2] 余冬梅，方奥，张建斌. 3D打印：技术和应用[J]. 金属世界，2013（6）：6-11.

[3] 史玉升，鲁中良，章文献，等. 选择性激光熔化快速成形技术与装备[J]. 中国表面工程，2006，19（s1）：150-153.