淺談3D打印機器原理

楊檁

前言

增材制造（Additive Manufacturing，以下簡稱AM），是20世紀麻省理工學院第一次提出的概念，我們現在一般把這種增材制造的方式成為“3D打印”[1]。傳統的制造方式，一般是通過切割、鑄造等方式，將一塊材料打造成所需要的零件或毛坯，常見的工藝有鑄造、焊接、鍛壓、注塑等。

增材制造其內部隨著發展，也出現了很多種新的分類，按照打印原理的不同，有熔融擠出成型、選擇性激光燒結、選擇性激光融化、光固化成型、三維噴印等等。下面我們就根據原理的不同，來簡要地闡述其成型工藝與機器的原理和應用場景。

1.幾種主流3D打印技術

1.1熔融擠出成型技術——FDM

熔融擠出成型（FDM）是現如今使用最多，發展最成熟的“3D打印”方式，如圖1-1，它通過將絲狀的熱塑性塑料，加熱融化，在成型平面上擠出，然后遇冷固化成型[2]。

我們通常稱之為“擠牙膏”。FDM這種工藝的機器有桌面級和工業級之分，目前市面上能夠見到的，大多都是桌面級的打印機，價格從2000元到8000元不等，成型范圍400mm*300mm*300mm左右，精度0.1mm左右，多用于教育、手模、文創等方面，市場普及度高，同時也是許多機械愛好者自我制作的工具之一。

FDM這種工藝目前主要存在幾個問題：一是打印效率不高，我們要打印一個15cm左右高的手辦，常常要花費10小時甚至更多；二是機器不附贈后處理方式，打印完成模型，支撐和平臺還黏附在上面，且模型表面“臺階效應”較為明顯，去支撐、表面拋光等等后處理需要手工完成，同時，常常因為模型精度有限，在手工拾取時，在小部件出容易出現斷裂，從而導致零件報廢；三是目前絕大多數FDM機器只能打印單色的模型，PLA和ABS兩種常用材料打印完成后不易上色。

1.2 三維噴印技術——3DP

三維噴印技術是美國惠普公司現在在首推的一種打印的方式。如圖1-2，通過將粉末一層一層鋪平，然后用噴頭噴射固化劑或粘接劑，使粉末粘接成型，然后再鋪粉，再噴射粘接劑，一層一層重復，從而將整個零件成型。通過鋪粉的方式，三維噴印的精度相比FDM有了較大的提升，但同樣的，對于粘接劑和成型粉末的選擇，有了更多的要求。

粉末方面，三維噴印技術因為要鋪粉，所以對于粉末的球形度、粉末粒徑分布以及粉末的流動性都有要求。目前較為成熟的幾種成型粉末主要包括石膏、PVA、覆膜砂等，這幾種粉末都可以和水進行較好的反應，從而粘接成型。

粘接劑方面，由于三維噴印是通過墨盒打印噴頭（通常是壓電式或熱氣泡式）噴射小液滴，所以對于粘接劑的表面張力、粘度都有要求。但同樣的，由于是通過墨盒噴射，三維噴印這種成型方式完全可以通過加大噴墨口的數量，極大地加快打印的效率，籠統點說，FDM方式是通過一個點來畫線，從而變成的面，再堆積成體，而3DP可以直接將噴墨口放成一條線，通過控制噴墨口噴墨，一口氣噴射一層面，大大提升打印效率。

三維噴印還有一個好處就是，因為粘接劑是液態的，所以可以直接像彩色噴墨打印機一樣，將顏料放入粘接劑中，打印多彩的模型。

1.3 光固化技術——SLA

光固化的成型方式的原理是紫外線光與一些液態的光敏樹脂反應交聯固化，從而成型零件（圖1-3）。

光固化的機器一般價格不是太貴，比桌面級的FDM價格貴一些，但相比其他工業級的設備要便宜的很多，但光敏樹脂較為昂貴，由于其不耐光的特性，其儲存地點一定要放在沒有光照較為陰暗的角落。光固化這種工藝在醫療領域應用較多，一些醫療機構的手術樣品，牙科的模型，助聽器的模型等等。由于是光固化的液體成型，往往成型的表面質量特別好，沒有所謂的“臺階效應”，且無需去除支撐，做出的零件是半透明的，較為美觀。

1.4 選擇性激光燒結——SLS

選擇性激光燒結技術是通過使用激光器，將一層層的粉末燒結成型（圖1-4）[3]。選擇性激光燒結這種方式成型的材料往往是高分子材料，如尼龍、PP、熱塑性聚氨酯、PS等等，所需的激光功率從幾瓦到幾十瓦不等，無需特別高的能量功率，且激光的精度較高，如果成型的環境控制的較好，成型的零件往往精度很高。但激光器目前主要是通過從國外進口，所以SLS設備的機器成本集中于激光器。與三維噴印相似，這種通過粉床鋪粉的工藝，對于粉末要求較高。

SLS目前主要用于工業領域，華中科技大學史玉升團隊曾做出過1000*1000超大臺面的工業級打印機，對于成型大型砂型，在汽車發動機、航空航天、軍用等都有廣闊應用。同樣的，打印成本較高，在民用領域使用場景還較為有限。

總結

本文對幾種常見的3D打印原理進行了較為詳細的講述，分析了每種技術的優點以及目前技術本身發展的一些限制，并對各種技術所具體使用的材料，以及其機器的基本原理進行了較為詳細的分析與介紹。

參考文獻：

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

[2] 余冬梅，方奧，張建斌. 3D打印：技術和應用[J]. 金屬世界，2013（6）：6-11.

[3] 史玉升，魯中良，章文獻，等. 選擇性激光熔化快速成形技術與裝備[J]. 中國表面工程，2006，19（s1）：150-153.