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主流3D打印技术简介 FDM,SLA,3DP,SLS
发布时间:2012-07-14    文章来源:sina    浏览次数:2018

熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)


熔融沉积又叫熔丝沉积,它是将丝状热熔性材料加热融化,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出,沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上,温度低于固化温度后开始固化,通过材料的层层堆积形成最终成品。


在3D打印技术中,FDM的机械结构最简单,设计也最容易,制造成本、维护成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术,而工业级FDM机器,主要以Stratasys公司产品为代表。


FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料,ABS强度较高,但是有毒性,制作时臭味严重,必须拥有良好通风环境,此外热收缩性较大,影响成品精度;PLA是一种生物可分解塑料,无毒性,环保,制作时几乎无味,成品形变也较小,所以国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。


FDM技术的优势在于制造简单,成本低廉,但是桌面级的FDM打印机,由于出料结构简单,难以精确控制出料形态与成型效果,同时温度对于FDM成型效果影响非常大,而桌面级FDM 3D打印机通常都缺乏恒温设备,因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm,少数高端机型能够支持0.1mm层厚,但是受温度影响非常大,成品效果依然不够稳定。此外,大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”,较难达到所见即所得的3D打印效果,所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。


光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus,SLA)


光固化技术是最早发展起来的快速成型技术,也是研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术,主要使用光敏树脂为材料,通过紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐层固化,最终得到完整的产品。


光固化技术优势在于成型速度快、原型精度高,非常适合制作精度要求高,结构复杂的原型。使用光固化技术的工业级3D打印机,最著名的是objet,该制造商的3D打印机提供超过123种感光材料,是目前支持材料最多的3D打印设备。


光固化快速成型应该是3D打印技术中精度最高,表面也最光滑的,objet系列最低材料层厚可以达到16微米(0.016毫米)。但是光固化快速成型技术也有两个不足,首先光敏树脂原料有一定毒性,操作人员使用时需要注意防护,其次光固化成型的原型在外观方面非常好,但是强度方面尚不能与真正的制成品相比,一般主要用于原型设计验证方面,然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品。此外,SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM,因此,基于光固化技术的3D打印机主要应用在专业领域,桌面领域已有两个桌面级别SLA技术3D打印机项目启动,一个是Form1,一个是B9,相信不久的将来会有更多低成本的SLA桌面3D打印机面世。


三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)


3DP技术由美国麻省理工大学开发成功,原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等,3DP技术工作原理是,先铺一层粉末,然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域,让材料粉末粘接,形成零件截面,然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程,层层叠加,获得最终打印出来的零件。


3DP技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构,而且能够输出彩色打印产品,这是其他技术都比较难以实现的。3DP技术的典型设备,是3DS旗下zcorp的zprinter系列,也是3D照相馆使用的设备,zprinter的z650打印出来的产品最大可以输出39万色,色彩方面非常丰富,也是在色彩外观方面,打印产品最接近于成品的3D打印技术。


但是3DP技术也有不足,首先粉末粘接的直接成品强度并不高,只能作为测试原型,其次由于粉末粘接的工作原理,成品表面不如SLA光洁,精细度也有劣势,所以一般为了产生拥有足够强度的产品,还需要一系列的后续处理工序。此外,由于制造相关材料粉末的技术比较复杂,成本较高,所以3DP技术主要应用在专业领域,桌面级别仅有一个PWDR项目在启动,但仍然处于0.1状态,尚需观察后续进展。


选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering,SLS)


该工艺由美国德克萨斯大学提出,于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理,由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型,所不同的是,它首先铺一层粉末材料,将材料预热到接近熔化点,再使用激光在该层截面上扫描,使粉末温度升至熔化点,然后烧结形成粘接,接着不断重复铺粉、烧结的过程,直至完成整个模型成型。


激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料,并制成相应材质的成品,激光烧结的成品精度好、强度高,但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属零件,也可以间接烧结金属零件,最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列。


激光烧结技术虽然优势非常明显,但是也同样存在缺陷,首先粉末烧结的表面粗糙,需要后期处理,其次使用大功率激光器,除了本身的设备成本,还需要很多辅助保护工艺,整体技术难度较大,制造和维护成本非常高,普通用户无法承受,所以应用范围主要集中在高端制造领域,而尚未有桌面级SLS 3D打印机开发的消息,要进入普通民用领域,可能还需要一段时间。


3D打印领域发展迅猛,从巨型的房屋打印机到微型的纳米级细胞打印机,各种新技术层出不穷,但是主要还是集中在专业领域,民用市场还是以简单架构的FDM为主,无论效果还是精度都差强人意,我们期待着随着技术发展和成本降低,桌面级3D打印机也能够真正实现所见即所得的打印效果,那时候3D打印改变世界将不再是一个梦想。


累积技术


基本材料


选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)


热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末


直接金属激光烧结(Direct metal laser sintering,DMLS)


几乎任何合金


熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)


热塑性塑料, 共晶系统 金属、可食用材料


立体平版印刷(stereolithography,SLA)


光硬化树脂(photopolymer)


数字光处理(DLP)


液态树脂


熔丝制造(Fused Filament Fabrication,FFF)


聚乳酸(PLA)、ABS树脂


融化压模(Melted and Extrusion Modeling,MEM)


金属线、塑料线


分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)


纸、金属膜、塑料薄膜


电子束熔化成型(Electron beam melting,EBM)


钛合金


选择性热烧结(Selective heat sintering,SHS)


Thermoplastic powder


粉末层喷头三维打印(PP)


石膏


注:粉末层喷头三维打印 en:Powder bed and inkjet head 3d printing,PP


其他


3D打印机将抵太空 可打印空间站30%零部件


据国外媒体报道,


3D打印机进行零重力测试飞行实验

2014年,一台3D打印机将抵达国际空间站,宇航员将使用它打印制造地球之外首个工具或者仪器零部件。

“太空制造”公司与美国宇航局马歇尔太空飞行中心建立合作关系,共同完成3D打印零重力实验(简称3D打印实验),他们将开启太空制造能力,帮助人类在太阳系其它星球建立殖民基地。


该公司CEO亚伦-科梅尔(Aaron Kemmer)说:“3D打印实验是美国宇航局未来重点研究项目之一,3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性,同时可以降低生产制造成本。首台3D打印机将制造一些测试试样,之后再用于制造大量零部件,以及工具和科学装置。”


2014年8月,这台3D打印机将连同太空货物由SpaceX飞行器携带升空抵达国际空间站,采用“挤制递增制造”技术将聚合物和其它材料逐层打印,最终形成所需的打印物体。3D打印设计蓝图可从空间站计算机中预先载入或者从地面上行传输。


太空制造公司首席技术专家詹森-邓恩(Jason Dunn)称,这种3D打印技术将使人们的太空生活更加简单便捷,成本降低,空间站超过30%的零部件都可以通过这台3D打印机制造。


美国宇航局马歇尔太空飞行中心3D打印项目负责人尼基-沃克海瑟(Niki Werkheiser)说:“3D打印是一项令人兴奋的技术,它将使我们以同等地球生活效率和生产能力的方式在太空中生活工作。我们的最终目标是消除对地球制造的材料和零部件的依赖性。”


美国宇航局研制一款3D打印机可采用廉价原料制造太空食物,并且具有较长的保质期。这种3D比萨打印机还可帮助宇航员完成远程太空旅行,例如:500天火星之旅。


同时,太空制造公司正在研制一种叫做“递增生产设备”的永久性太空打印装置,预计2016年将交付国际空间站使用。


危害


3D打印技术日渐普及,应用于医学、建筑和军事等范畴,甚至开始家用化。但该技术在逐渐被广泛应用的同时,危害也日趋暴露出来。据香港《东方日报》报道,美国研究显示,家用3D打印机在室内运作时,会释放大量有毒超微细粒子(UFP),有害程度相当于吸食香烟,影响人体健康。


美国伊利诺伊州理工大学研究称,市面上的3D打印机首先将塑料加热,然后通过喷嘴喷出,造出设计模型。这过程类似工业生产,会释出有毒物质,但一般家用者不会使用防护装备。微粒会在空中飘浮,容易被人吸入肺部甚至脑部,过度积聚可能会引发肺病、血液及神经系统疾病,甚至导致死亡。


研究员测试五款市面热销的3D打印机,发现它们释放的超微细粒子数量惊人。例如,以PLA聚合物作低温打印,最低每分钟释放二百亿微粒;在高温下以其他物料打印,每分钟释放的微粒更可多达二千亿粒。这些3D打印机的微粒释放量,有如在室内开火炉、烧香味蜡烛或燃烧香烟。


除健康问题,3D打印也引发公众安全隐忧。一名加拿大男子上传短片展示他以3D打印手枪为蓝本,打印出一支塑胶步枪,并成功发射**,但发射后枪管裂开。

 

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