1.5 3D打印技术
快速成型技术从出现以来，出现了十几种不同的方法。本书仅介绍目前工业领域较为常用的工艺方法，目前占主导地位的快速成型技术共有如下6类。
1.5.1 FDM打印技术
熔积成型法（Fused Deposition Modeling, FDM）是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型，打印原理如图1-4所示。
图1-4 FDM打印原理
FDM技术有以下优点。
（1）操作环境干净、安全，材料无毒，可以在办公室、家庭环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险。
（2）无须激光器等贵重元器件，因此价格便宜。
（3）原材料为卷轴丝形式，节省空间，易于搬运和替换。
（4）材料利用率高，可备选材料很多，价格也相对便宜。
FDM技术的缺点如下。
（1）成型后表面粗糙，须后续抛光处理。最高精度只能达到0.1mm。
（2）因为喷头做机械运动，速度较慢。
（3）需要材料作为支撑结构。
1.5.2 SLS打印技术
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度上升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型，原理如图1-5所示。
图1-5 SLS打印原理
SLS技术有以下优点。
（1）可用多种材料。其可用材料包括高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。特别是金属粉末材料，是目前3D打印技术中最热门的发展方向之一。
（2）制造工艺简单。由于可用材料比较多，该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。
（3）高精度。一般能够达到工件整体范围内0.05～2.5mm的公差。
（4）无须支撑结构。叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。
（5）材料利用率高。由于不需要支撑，无须添加底座，在常见几种3D打印技术中材料利用率最高，且价格相对便宜。
SLS技术的缺点如下。
（1）表面粗糙。由于原材料是粉状的，原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的，因此，原型表面严格来讲是粉粒状的，表面质量不高。
（2）烧结过程有异味。SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。
（3）无法直接成型高性能的金属和陶瓷零件，成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。
（4）加工时间长。加工前，要有2小时的预热时间；零件构建后，还需5～10小时时间冷却才能从粉末缸中取出模型。
（5）由于使用了大功率激光器，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。
1.5.3 SLA打印技术
光固化法（Stereo Lithography Apparatus, SLA）是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束（SLA与SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光）照射下，会快速固化。在成型开始时，可使升降工作台处于液面以下刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面，原理如图1-6所示。这样层层叠加构成建构三维实体。
图1-6 SLA打印原理
SLA技术有以下优点。
（1）发展时间最长，工艺最成熟，应用最广泛。在全世界安装的快速成型机中，光固化成型系统约占60%。
（2）成型速度较快，系统工作稳定。
（3）具有高度柔性。
（4）精度很高，可以达到微米级别，如0.025mm。
（5）表面质量好，比较光滑，适合做精细零件。
SLA技术的缺点如下。
（1）需要设计支撑结构。支撑结构需要未完全固化时去除，容易破坏成型件。
（2）设备造价高昂，而且使用和维护成本都较高。SLA系统需要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。
（3）光敏树脂有轻微毒性，对环境有污染，对部分人体皮肤有过敏反应。
（4）树脂材料价格贵，成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。
（5）由于是树脂材料，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。且固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
1.5.4 LOM打印技术
纸叠层制造（Lamited Object Manufacturing, LOM）技术是利用分层叠加原理制成原型或模型。其基本原理是将涂有热熔胶的纸铺在工作台上，先用加热辊施压使纸张与工作台上模型架粘合，然后用激光（或尖刀）在第一层纸上切割出模型平面轮廓，制好第一层后，转动送纸器，按上述原理加工第二层，直至加工好模型为止。用纸张做的模型还要进行封蜡、油漆、防潮处理等后处理工序。这种制造技术的优点是工作可靠，模型支撑性好，有类似木质外观，更适合于制造外形结构复杂、内部简单的零件；缺点是前后处理费时费力且不能制造中空结构件。
LOM工艺的基本原理如图1-7所示。先将单面涂有热熔胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割—粘合—切割，直到整个零件模型制作完成。此方法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。一旦零件完成，多余的材料必须手动去除，过程可以通过用激光在三维零件周围切割一些方格形小孔而简单化。
图1-7 纸叠层制造工艺原理图
LOM技术的优点如下。
（1）无须设计和构建支撑。
（2）激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无须填充扫描，成型效率高。
（3）成型件的内应力和翘曲变形小，制造成本低。
LOM技术的缺点如下。
（1）材料利用率低。
（2）表面质量差。
（3）后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除。
（4）可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸。
（5）对环境有一定的污染。
LOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。
1.5.5 DLP打印技术
DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
1.5.6 UV打印技术
UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪声产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。