2.3 3D打印成型工艺

2.3.1 3D打印成型原理

3D打印的基本原理是“分层制造，逐层叠加”，即根据数据模型制造出一层物体，然后逐层叠加，直至制造出整个三维物理实体。然而，“分层制造，逐层叠加”的成型原理有很多种类型，如典型的成型原理有：“沉积型”和“黏合叠层”。

1.“沉积型”

“沉积型”是指原材料自身沉积固化后叠层。其特点在于任何可由喷嘴挤压的原材料都可以用作3D打印。带有可沉积材料的喷嘴根据物体的截面信息在工作台上勾勒出物体的截面轮廓，原材料通过注射、喷洒或挤压的方式一层层地沉积固化，喷嘴沿着一系列水平或垂直轨道移动运行，逐层填充物体轮廓，最终完成实体制造，这实际上就是FDM成型方式。这类方式所用的原材料可以是遇到工作台就会固化的软塑料、原始的饼干面团或者特殊医疗凝胶里的活细胞。

这种方法的优点在于：

● 其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本；

● 简化版本的成本低，可使用的材料范围广，任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。

● 运行安静，并使用相对低温的打印头，操作较为安全，是家庭、学校或者办公室使用的理想选择。

“沉积型”的主要缺点，也正来源于这种只能通过喷嘴挤出或挤压材料的成型方式，它只能打印可以通过打印头挤出或挤压的材料，所使用的打印材料有局限性。目前市场上大部分选择性沉积成型设备使用的材料是为其特制的一种塑料，它被做成卷筒状，可将末端直接连接打印设备，在打印设备中融化并挤出。

2.“黏合叠层”

“黏合叠层”是利用施加外部条件如激光和黏合剂等来黏合原材料，使其固化叠层。“黏合叠层”的典型工艺有：立体光刻（SL）和激光选区烧结（SLS）。

立体光刻（SL）即利用激光将热/光固化粉末和光敏聚合物等材料融化或凝固，或者在原材料中加入某种黏合剂来实现成型。激光束在液体聚合物表面沿着物体轮廓扫描，这些特殊的聚合物是光敏材料，当其暴露于UV光线下，就会固化。激光扫描遵循所打印物体的轮廓和截面逐层进行，一层固化成型完毕，可移动工作台下沉将已成型部分下沉一定的厚度，新一层的原材料覆盖在已成型部分的顶部，继续扫描固化，部件就会一层层地逐渐叠加成型。这种成型方式需要进行后处理，包括多余材料的去除、表面处理甚至进一步固化等。

这种方法的优势在于激光作业迅速、精确，多束激光可并行工作，分辨率比挤压式3D打印头更高。随着光敏聚合物原材料质量的提升，其应用范围也在不断地扩大。缺点在于光敏聚合物产品的耐用性并不好，且价格昂贵，再者这类成型设备的成本也较高。

激光选区烧结（SLS）与立体光刻（SL）类似，所不同的是其成型材料并非液态光敏聚合物而是粉末材料。这种方法的优势在于未熔化的粉末可作为产品的内部支撑，在某些情况下，未使用的松散粉末还可以回收再利用。另一个优点是，很多原材料都可以制成粉末的形态，比如尼龙、钢、青铜和钛等，因此粉末材料应用的范围也更加广泛。但这种方法制造的物体表面往往不光滑、多孔，也不能同时打印不同类型的粉末，粉末处理不当，还有爆炸的危险。SLS成型是高温过程，产品“打印”完成后需要冷却，视打印层的尺寸和厚度不同，有的物体甚至需要一整天的冷却时间。