3D打印技术背后的工艺知识详解

导读：3D打印正在逐渐成为各个领域的主要工具。然而，可用的3D打印工艺种类繁多，并且每个工艺都有着不同的有点和缺陷。因此，在您选择相关技术或者购买3D打印机之前，有必要了解一些机器和技术背后的工艺知识。

材料挤出（Material Extrusion）

常见工艺：FFF、FDM（与FFF相同，只是它是Stratasys的商标术语）

描述：此过程使用压力喷出流体或凝胶材料。典型例子是FFF方法，将长丝推入热端以产生压力，并使柔软的长丝从喷嘴流出。

缺陷：层附着力差。材料分层放置，通常到第二层出现时，第一层已经冷却并且与新层结合的能力稍差。这导致部件在层间的强度远不如材料本身。

解决方案：一些制造商试图通过加热室、软件调整或特殊材料来解决这个问题，但这一问题始终存在于这项工艺之中。

粉床融合（Powder Bed Fusion）

常用工艺：SLS、DMLS、SLM

描述：此技术在粉末材料床上进行高能量喷射，通常使用激光。利用激光选择性固化床层的一部分，然后逐层重复这个过程。常规激光器是一个尺寸较大的组件，需要安装在一个静态位置，利用构建室顶部的倾斜镜子将光束向下引导到粉末床。

缺陷：随着粉末床面积的增加，激光撞击粉末表面的角度变得越来越倾斜。当“点”形状发生变化时，会导致熔化不均匀。每个区域能量也会发生变化，可能会弄乱打印部件的边缘。

解决方案：一些供应商的解决方案是将激光升高，以减小倾斜角度，这使3D打印机高度增加。其他方案使用多个激光器，甚至移动激光源本身以将其直接保持在床上。

光固化

常用工艺：MSLA、SLA、DLP、LCD

描述：此过程将光固化树脂选择性地暴露于能量之下，通常使用激光或LED面板的紫外线。固化材料层相互叠加，逐渐形成3D对象。

缺陷：通常使用紫外线来固化光聚合树脂，但是，部件从打印机中取出后，可能会暴露在其他额外的紫外线下，尤其是太阳。额外的紫外线照射会导致材料继续固化，最终材料会因变形而破裂。这使得这种类型的部件通常不太耐用，特别是对于户外应用。

解决方案：一些制造商试图用特种树脂混合物来克服这个问题。

材料喷射（Material Jetting）

常用工艺：PolyJet

描述： 此过程从类似喷墨的喷嘴中逐层选择性地喷射液态光聚合树脂。每层都通过紫外线固化，随后的层构建在固化材料的顶部。支撑材料用于处理悬垂部分。

缺陷：此类系统使用“管道”设置，将树脂从墨盒流动到喷墨头。如果需要更换材料，则必须冲洗整个管道系统，去除旧材料的痕迹。冲洗过程用新材料完成，这意味着每次更换材料都会浪费大量昂贵的树脂。

粘合剂喷射（Binder Jetting）

常用工艺：MJF、NPJ

描述：这项技术使用喷墨将一种粘合剂选择性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的区域将被固化，其余粉末保持松散。逐层进行以上步骤，直到生成整个对象。

缺陷：这些过程通常需要进行后处理以接合粘合剂。在某些情况下，需要巨大的热量来激活粘合剂，而这种热量可能需要很长时间（有时长达一天）才能冷却，然后才能尝试进一步加工而不使部件变形。这可能会拖累机器的生产率。

解决方案：一些供应商使用可更换构建室。当一个正在冷却时，另一个可以被激活以进行第二个打印作业。

直接能量沉积（Direct Energy Deposition）

常用工艺：DED、WAAM

描述：这种方法通过挤压金属，无论是金属粉末还是金属线，然后立即受到高能量的撞击。能量熔化金属，熔池立即下降到3D空间，通过机械臂进行位置操作。

缺陷：虽然这种方法通常高效且高度可扩展，但DED的表面分辨率质量相当差。产品往往看起来很粗糙。

解决方案：一些制造商使用CNC铣削工具以在打印过程中或打印后打磨表面。

片材层压（Sheet Lamination）

常用工艺：CleanGreen、Solido

描述：这种过程需要将材料片一张一张地层压在一起。随着每张材料片叠加，切割器在特定层高度切掉物体边缘的形状。打印完成后，将切片区域拉开以显示最终部分。

缺陷：在某些几何形状中，废料会被困在物体内部并且无法去除。这限制了工艺可能制造的几何形状。

工艺互补是当下最好的方法

现在的市场上能看到不同工艺的多种3D打印机，这些机器具有不同的功能，使用不同的材料，拥有不同的定价。然而，这些打印机也有各自的局限。例如，小巧的3D打印机无法制造大零件；FFF设备无法打印光滑的表面；金属3D打印机无法生产聚合物产品。

因此，如果想要尽可能多地丰富制造能力，最好的办法是在预算充足的情况下利用多个机器，起到工艺互补作用。通过对工作类型、材料选择、零件尺寸和质量判断，先购买最适合的机器，然后根据需要增加更多设备。随着机器的积累，还可以选择或者替换更多的工具，做出更好的选择。

参考阅读：

1． The Fatal Flaw In Every 3D Print Process

2． Complementary 3D Printers Is The only Way To Go