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主流3D打印技術簡介 FDM,SLA,3DP,SLS
發布時間:2012-07-14 文章來源:sina 浏覽次數:724

熔融沉積快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM)

 

熔融沉積又叫熔絲沉積,它是将絲狀熱熔性材料加熱融化,通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化後從噴嘴噴出,沉積在制作面闆或者前一層已固化的材料上,溫度低于固化溫度後開始固化,通過材料的層層堆積形成最終成品。

 

在3D打印技術中,FDM的機械結構最簡單,設計也最容易,制造成本、維護成本和材料成本也最低,因此也是在家用的桌面級3D打印機中使用得最多的技術,而工業級FDM機器,主要以Stratasys公司産品爲代表。

 

FDM技術的桌面級3D打印機主要以ABS和PLA爲材料,ABS強度較高,但是有毒性,制作時臭味嚴重,必須擁有良好通風環境,此外熱收縮性較大,影響成品精度;PLA是一種生物可分解塑料,無毒性,環保,制作時幾乎無味,成品形變也較小,所以國外主流桌面級3D打印機均以轉爲使用PLA作爲材料。

 

FDM技術的優勢在于制造簡單,成本低廉,但是桌面級的FDM打印機,由于出料結構簡單,難以精确控制出料形态與成型效果,同時溫度對于FDM成型效果影響非常大,而桌面級FDM 3D打印機通常都缺乏恒溫設備,因此基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常爲0.3mm-0.2mm,少數高端機型能夠支持0.1mm層厚,但是受溫度影響非常大,成品效果依然不夠穩定。此外,大部分FDM機型制作的産品邊緣都有分層沉積産生的“台階效應”,較難達到所見即所得的3D打印效果,所以在對精度要求較高的快速成型領域較少采用FDM。

 

光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus,SLA)

 

光固化技術是最早發展起來的快速成型技術,也是研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。光固化技術,主要使用光敏樹脂爲材料,通過紫外光或者其他光源照射凝固成型,逐層固化,最終得到完整的産品。

 

光固化技術優勢在于成型速度快、原型精度高,非常适合制作精度要求高,結構複雜的原型。使用光固化技術的工業級3D打印機,最著名的是objet,該制造商的3D打印機提供超過123種感光材料,是目前支持材料最多的3D打印設備。

 

光固化快速成型應該是3D打印技術中精度最高,表面也最光滑的,objet系列最低材料層厚可以達到16微米(0.016毫米)。但是光固化快速成型技術也有兩個不足,首先光敏樹脂原料有一定毒性,操作人員使用時需要注意防護,其次光固化成型的原型在外觀方面非常好,但是強度方面尚不能與真正的制成品相比,一般主要用于原型設計驗證方面,然後通過一系列後續處理工序将快速原型轉化爲工業級産品。此外,SLA技術的設備成本、維護成本和材料成本都遠遠高于FDM,因此,基于光固化技術的3D打印機主要應用在專業領域,桌面領域已有兩個桌面級别SLA技術3D打印機項目啓動,一個是Form1,一個是B9,相信不久的将來會有更多低成本的SLA桌面3D打印機面世。

 

三維粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)

 

3DP技術由美國麻省理工大學開發成功,原料使用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等,3DP技術工作原理是,先鋪一層粉末,然後使用噴嘴将粘合劑噴在需要成型的區域,讓材料粉末粘接,形成零件截面,然後不斷重複鋪粉、噴塗、粘接的過程,層層疊加,獲得最終打印出來的零件。

 

3DP技術的優勢在于成型速度快、無需支撐結構,而且能夠輸出彩色打印産品,這是其他技術都比較難以實現的。3DP技術的典型設備,是3DS旗下zcorp的zprinter系列,也是3D照相館使用的設備,zprinter的z650打印出來的産品最大可以輸出39萬色,色彩方面非常豐富,也是在色彩外觀方面,打印産品最接近于成品的3D打印技術。

 

但是3DP技術也有不足,首先粉末粘接的直接成品強度并不高,隻能作爲測試原型,其次由于粉末粘接的工作原理,成品表面不如SLA光潔,精細度也有劣勢,所以一般爲了産生擁有足夠強度的産品,還需要一系列的後續處理工序。此外,由于制造相關材料粉末的技術比較複雜,成本較高,所以3DP技術主要應用在專業領域,桌面級别僅有一個PWDR項目在啓動,但仍然處于0.1狀态,尚需觀察後續進展。

 

選擇性激光燒結(Selecting Laser Sintering,SLS)

 

該工藝由美國德克薩斯大學提出,于1992年開發了商業成型機。SLS利用粉末材料在激光照射下燒結的原理,由計算機控制層層堆結成型。SLS技術同樣是使用層疊堆積成型,所不同的是,它首先鋪一層粉末材料,将材料預熱到接近熔化點,再使用激光在該層截面上掃描,使粉末溫度升至熔化點,然後燒結形成粘接,接着不斷重複鋪粉、燒結的過程,直至完成整個模型成型。

 

激光燒結技術可以使用非常多的粉末材料,并制成相應材質的成品,激光燒結的成品精度好、強度高,但是最主要的優勢還是在于金屬成品的制作。激光燒結可以直接燒結金屬零件,也可以間接燒結金屬零件,最終成品的強度遠遠優于其他3D打印技術。SLS家族最知名的是德國EOS的M系列。

 

激光燒結技術雖然優勢非常明顯,但是也同樣存在缺陷,首先粉末燒結的表面粗糙,需要後期處理,其次使用大功率激光器,除了本身的設備成本,還需要很多輔助保護工藝,整體技術難度較大,制造和維護成本非常高,普通用戶無法承受,所以應用範圍主要集中在高端制造領域,而尚未有桌面級SLS 3D打印機開發的消息,要進入普通民用領域,可能還需要一段時間。

 

3D打印領域發展迅猛,從巨型的房屋打印機到微型的納米級細胞打印機,各種新技術層出不窮,但是主要還是集中在專業領域,民用市場還是以簡單架構的FDM爲主,無論效果還是精度都差強人意,我們期待着随着技術發展和成本降低,桌面級3D打印機也能夠真正實現所見即所得的打印效果,那時候3D打印改變世界将不再是一個夢想。

 

累積技術

 

基本材料

 

選擇性激光燒結(selective laser sintering,SLS)

 

熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末

 

直接金屬激光燒結(Direct metal laser sintering,DMLS)

 

幾乎任何合金

 

熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)

 

熱塑性塑料, 共晶系統 金屬、可食用材料

 

立體平版印刷(stereolithography,SLA)

 

光硬化樹脂(photopolymer)

 

數字光處理(DLP)

 

液态樹脂

 

熔絲制造(Fused Filament Fabrication,FFF)

 

聚乳酸(PLA)、ABS樹脂

 

融化壓模(Melted and Extrusion Modeling,MEM)

 

金屬線、塑料線

 

分層實體制造(laminated object manufacturing,LOM)

 

紙、金屬膜、塑料薄膜

 

電子束熔化成型(Electron beam melting,EBM)

 

钛合金

 

選擇性熱燒結(Selective heat sintering,SHS)

 

Thermoplastic powder

 

粉末層噴頭三維打印(PP)

 

石膏

 

注:粉末層噴頭三維打印 en:Powder bed and inkjet head 3d printing,PP

 

其他

 

3D打印機将抵太空 可打印空間站30%零部件

 

據國外媒體報道,

 

3D打印機進行零重力測試飛行實驗

2014年,一台3D打印機将抵達國際空間站,宇航員将使用它打印制造地球之外首個工具或者儀器零部件。

“太空制造”公司與美國宇航局馬歇爾太空飛行中心建立合作關系,共同完成3D打印零重力實驗(簡稱3D打印實驗),他們将開啓太空制造能力,幫助人類在太陽系其它星球建立殖民基地。

 

該公司CEO亞倫-科梅爾(Aaron Kemmer)說:“3D打印實驗是美國宇航局未來重點研究項目之一,3D打印零部件和工具将增強太空任務的可靠性和安全性,同時可以降低生産制造成本。首台3D打印機将制造一些測試試樣,之後再用于制造大量零部件,以及工具和科學裝置。”

 

2014年8月,這台3D打印機将連同太空貨物由SpaceX飛行器攜帶升空抵達國際空間站,采用“擠制遞增制造”技術将聚合物和其它材料逐層打印,最終形成所需的打印物體。3D打印設計藍圖可從空間站計算機中預先載入或者從地面上行傳輸。

 

太空制造公司首席技術專家詹森-鄧恩(Jason Dunn)稱,這種3D打印技術将使人們的太空生活更加簡單便捷,成本降低,空間站超過30%的零部件都可以通過這台3D打印機制造。

 

美國宇航局馬歇爾太空飛行中心3D打印項目負責人尼基-沃克海瑟(Niki Werkheiser)說:“3D打印是一項令人興奮的技術,它将使我們以同等地球生活效率和生産能力的方式在太空中生活工作。我們的最終目标是消除對地球制造的材料和零部件的依賴性。”

 

美國宇航局研制一款3D打印機可采用廉價原料制造太空食物,并且具有較長的保質期。這種3D比薩打印機還可幫助宇航員完成遠程太空旅行,例如:500天火星之旅。

 

同時,太空制造公司正在研制一種叫做“遞增生産設備”的永久性太空打印裝置,預計2016年将交付國際空間站使用。

 

危害

 

3D打印技術日漸普及,應用于醫學、建築和軍事等範疇,甚至開始家用化。但該技術在逐漸被廣泛應用的同時,危害也日趨暴露出來。據香港《東方日報》報道,美國研究顯示,家用3D打印機在室内運作時,會釋放大量有毒超微細粒子(UFP),有害程度相當于吸食香煙,影響人體健康。

 

美國伊利諾伊州理工大學研究稱,市面上的3D打印機首先将塑料加熱,然後通過噴嘴噴出,造出設計模型。這過程類似工業生産,會釋出有毒物質,但一般家用者不會使用防護裝備。微粒會在空中飄浮,容易被人吸入肺部甚至腦部,過度積聚可能會引發肺病、血液及神經系統疾病,甚至導緻死亡。

 

研究員測試五款市面熱銷的3D打印機,發現它們釋放的超微細粒子數量驚人。例如,以PLA聚合物作低溫打印,最低每分鍾釋放二百億微粒;在高溫下以其他物料打印,每分鍾釋放的微粒更可多達二千億粒。這些3D打印機的微粒釋放量,有如在室内開火爐、燒香味蠟燭或燃燒香煙。

 

除健康問題,3D打印也引發公衆安全隐憂。一名加拿大男子上傳短片展示他以3D打印手槍爲藍本,打印出一支塑膠步槍,并成功發射子彈,但發射後槍管裂開。

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