市面上常见3D打印技术原理优点和缺点全面解析

市面上常见3D打印技术原理优点和缺点全面解析

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小毛坯逐步迭加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10％～30％的工时和20％～35％的成本，就能直接制造出产品样品或模具。

常用3D打印技术

　　SLA(Stereo LithographyApparatus，光敏树脂选择性固化)

　　SLS(Selective LaserSintering，粉末材料选择性激光烧结)

　　FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积)

　　3DP(3Three DimensionPrinting，3D喷射打印)

　　PUG(Poly-Urethan-Guss，真空注型)

一.FDM打印技术

技术原理：

FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积)。

FDM熔融层积成型技术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。

FDM技术的优点：

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） 无需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：

1） 成形后表面粗糙，需后续抛光处理。最高精度只能为0.1mm。

2） 速度较慢，因为喷头做机械运动。

3） 需要材料作为支撑结构。

图：FDM(熔融沉积技术)原理图

二.SLS打印技术

技术原理：

SLS(Selective LaserSintering，粉末材料选择性激光烧结)。

该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。

SLS技术的优点：

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（0.05-2.5）mm的公差。

4）无需支撑结构。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，无需添加底座，为常见几种3D打印技术中材料利用率最高的，且价格相对便宜。

SLS技术的缺点：

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，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。 

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盒陶瓷零件，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，要花5~10小时时间冷却，才能从粉末缸中取出。

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，整体技术难度大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受

图：粉末烧结技术原理图

三.SLA打印技术

技术原理：

SLA(Stereo LithographyApparatus，光敏树脂选择性固化)。

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照射下，会快速固化（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）。在成型开始时，可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。这样层层叠加构成建构三维实体。

SLA技术的优点：

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，可以做到微米级别，比如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：

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不低。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，但成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。

5） 由于材料是树脂，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。

图：SLA(光固化技术)原理图

四.3DP打印技术

技术原理：

3DP(Three DimensionPrinting，3D喷射打印)。

3D打印材料以超薄层被喷射到构建托盘上，用紫外线固化，并且可以同时喷射两种不同机械特性的材料。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。

3DP打印技术优点：

1）同时制作两种及以上材料组合件。

2）皮革纹理清晰，尤其适合内饰件试制(方向盘、扶手、排档等)。

3）密封条、密封圈试制。

4）一次性制作复杂分总成零件。

5）更细致表现细节，内外饰小模型制作。

3DP打印技术缺点：

1）材料强度受限制。

图：3DP(3D喷射打印技术)原理图

五.PUG (真空注型技术 )

技术原理：

真空注型技术基于硅胶模而翻制样件的技术，硅胶模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅胶模具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高。

PUG打印技术优点：

1）小批量生产。

2）工艺相对简单，易操作。

3）只需简易硅胶模，制作时间短。

4）可选择多种材料。

PUG打印技术缺点：

1）类批量材料在性能上受限制。

2）易发生起泡、缺料等表面缺陷。

图：PUG工艺流程图

汇总，技术对比示意图