材料學(xué)｜五種常見3D打印技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

立體光固化成型工藝(Stereolithography Apparatus，SLA)，又稱立體光刻成型。該工藝最早由Charles W.Hull于1984年提出并獲得美國國家專利，是最早發(fā)展起來的3D打印技術(shù)之一。Charles W.Hull在獲得該專利后兩年便成立了3D Systems公司并于1988年發(fā)布了世界上**臺(tái)商用3D打印機(jī)SLA-250。SLA工藝也成為了目前世界上研究最為深入、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)。

原理：液槽中會(huì)先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。  

當(dāng)一層樹脂固化完畢后，工作臺(tái)將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層的激光掃描固化。
　　　 SLA(光固化技術(shù) )的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1） 成型過程自動(dòng)化程度高。
2） 尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到±0.1mm。
3） 表面質(zhì)量優(yōu)良。
4） 系統(tǒng)分辨率較高，可以制作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型或零件。
缺點(diǎn)：
1） 零件較易彎曲和變形，需要支撐。
2） 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高。
3） 可使用的材料種類較少。
4） 液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)。
5） 液態(tài)樹脂固化后的零件較脆、易斷裂。

選擇性激光燒結(jié)工藝(Selective Laser Sintering，SLS)，該工藝最早是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其碩士論文中提出的，隨后C.R.Dechard創(chuàng)立了DTM公司并于1992年發(fā)布了基于SLS技術(shù)的工業(yè)級(jí)商用3D打印機(jī)Sinterstation。

原理：先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進(jìn)行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，從而進(jìn)行燒結(jié)并于下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合。當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺(tái)將下降一個(gè)層厚，這時(shí)壓輥又會(huì)均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。

　　　 SLS ( 粉末燒結(jié)技術(shù) )的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1）可直接制作金屬制件(獨(dú)有)。
2）材料選擇廣泛。
3）可制造復(fù)雜構(gòu)件或模具。
4）不需要增加基座支撐。
5）材料利用率
缺點(diǎn)：
1）樣件表面粗糙，呈現(xiàn)顆粒狀。
2）加工過程會(huì)產(chǎn)生有害氣體

熔融沉積成型工藝(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來的一種3D打印技術(shù)。該技術(shù)由Scott Crump于1988年發(fā)明，隨后Scott Crump創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上**臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī) — “3D造型者(3D Modeler)”，這也標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段。

原理：將絲狀的熱熔性材料進(jìn)行加熱融化，通過帶有微細(xì)噴嘴的擠出機(jī)把材料擠出來。噴頭可以沿X軸的方向進(jìn)行移動(dòng)，工作臺(tái)則沿Y軸和Z軸方向移動(dòng)(當(dāng)然不同的設(shè)備其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也許不一樣)，熔融的絲材被擠出后隨即會(huì)和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺(tái)將按預(yù)定的增量下降一個(gè)厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。

FDM(熔融沉積)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1）整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全?？梢允褂脽o毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用。
2）工藝干凈、簡單、易于操作且不產(chǎn)生垃圾。
3）獨(dú)有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件。
4）原材料以材料卷的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。
5）可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及醫(yī)用ABS等。
缺點(diǎn)：
1）成型精度相對(duì)SLA工藝較低，精度0.178mm。
2）成型表面光潔度不如SLA工藝。
3）成型速度相對(duì)較慢。
　　　

聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet公司于2000年初推出的專利技術(shù)，PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進(jìn)的3D打印技術(shù)之一，它的成型原理與3DP有點(diǎn)類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料。

原理：3D打印材料以超薄層被噴射到構(gòu)建托盤上，用紫外線固化，并且可以同時(shí)噴射兩種不同機(jī)械特性的材料。完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺(tái)會(huì)極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進(jìn)行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個(gè)工件打印制作完成?！　　?

3DP(3D噴射打印技術(shù))的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1）同時(shí)制作兩種及以上材料組合件。
2）皮革紋理清晰，尤其適合內(nèi)飾件試制(方向盤、扶手、排檔等)。
3）密封條、密封圈試制。
4）一次性制作復(fù)雜分總成零件。
5）更細(xì)致表現(xiàn)細(xì)節(jié)。
6）內(nèi)外飾小模型制作。
缺點(diǎn)：
材料強(qiáng)度受限制

真空注型技術(shù)基于硅膠模而翻制樣件的技術(shù)，硅膠模制造工藝是一種比較普及的快速模具制造方法。由于硅膠模具有良好的柔性和彈性，能夠制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽類的零件，制作周期短，制件質(zhì)量高。

優(yōu)點(diǎn)：
1）小批量生產(chǎn)。

2）工藝相對(duì)簡單，易操作。

3）只需簡易硅膠模，制作時(shí)間短。

4）可選擇多種材料。

缺點(diǎn)：

1）類批量材料在性能上受限制。

2）易發(fā)生起泡、缺料等表面缺陷。