2.3.2 3D打印成型工艺详解

根据3D打印的成型工艺类型，3D打印技术可以分为很多种类（如表2-1所示），现在市面上比较成熟的主流快速成型技术有SLA、SLS、FDM、3DP、LOM等。

1．激光立体光固化技术（SLA）

SLA是最早实用化的快速成型技术。它使特定波长与强度的激光在计算机的控制下，由预先得到的零件分层截面信息以分层截面轮廓为轨迹连点扫描液态光敏树脂，被扫描区域的树脂薄层发生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面实体，然后移动工作台，在已固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层扫描固化，如此重复直至整个零件原型制造完毕（如图2-6所示）。

SLA技术主要用于制造多种模具、模型等，还可以在原料中加入其他成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。美国3D Systems公司最早推出这种工艺及其相关设备系统。这项技术的特点是成型速度快，精度和光洁度高，但是由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或形变，运行成本太高，后处理比较复杂，对操作人员的要求也较高，更适合用于验证装配设计过程。

2．熔融沉积造型技术（FDM）

FDM是一种挤出成型方式。将FDM设备的打印头加热，使用电加热的方式将丝状材料，诸如石蜡、金属、塑料和低熔点合金丝等加热至略高于熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右），打印头受分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料（丝材直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来，凝固成轮廓形状的薄层，一层层叠加后形成整个零件模型（如图2-7所示）。

FDM是现在使用最为广泛的3D打印方式，采用这种方式的设备既可用于工业生产也可面向个人用户。所用的材料除了白色外还有其他颜色，在成型阶段就可以给成品做出带颜色的效果。这种成型方式每一叠加层的厚度相比其他方式较厚，所以多数情况下分层清晰可见（如图2-8所示），处理也相对简单。

FDM技术是由Stratasys创始人Scott Crump发明。FDM可采用标准、工程等级和高性能的热塑性材料来构建概念模型、功能性原型以及最终零件，因为它是唯一使用生产级别热塑性塑料的专业3D打印技术，所以这些零件具有很好的机械、热和化学强度。该技术通常应用于塑型、装配、功能性测试以及概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。但缺点是表面光洁度较差，综合来说这种方式不可能做出像饰品那样的精细造型和光泽效果。

3．激光选区烧结技术（selective laser sintering, SLS）

SLS采用CO2激光器作为能源，根据原型的切片模型利用计算机控制激光束进行扫描，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个薄层。一层完成后工作台下降一个层厚，铺粉系统铺上一层新粉，再进行一下层的烧结，层层叠加，全部烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便可得到最终的零件。需要注意的是，在烧结前，工作台要先进行预热，这样可以减少成型中的热变形，也有利于叠加层之间的结合。具体过程如图2-9所示。

与其他快速成型方式相比，SLS最突出的优点是其可使用的成型材料十分广泛，理论上讲，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以作为其成型材料。目前，可进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子材料、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料，成型材料的多样化使得其应用范围也越来越广泛。

SLS技术另一个特点是能够制造可直接使用的最终产品，因此SLS技术既可归入快速成型的范畴，也可以归入快速制造的范畴。但是，这种方式的成品表面比较粗糙，无法满足表面平滑的需求。

4．三维打印技术（3DP）

三维打印技术（Three Dimensional Printing,3DP）才是真正的3D打印。因为这项技术和平面打印非常相似，甚至连打印头都是直接用平面打印机的。3DP技术根据打印方式不同又可以分为热爆式三维打印、压电式三维打印和DLP投影式三维打印等。这里我们主要介绍一下常见的热爆式三维打印。它所用的材料与SLS类似，也是粉末状材料，所不同的是这里的粉末材料并不是通过烧结连接起来，而是通过喷头喷出黏结剂将零件的截面“印刷”在粉末材料上。

3DP所用的设备一般有两个箱体，一边是储粉缸，一边是成型缸。工作时，由储粉缸推送出一定分量的成型粉末材料，并用滚筒将推送出的粉末材料在加工平台上铺成薄薄一层（一般为0.1mm），打印头根据数据模型切片后获得的二维片层信息喷出适量的黏合剂，黏住粉末成型，做完一层，工作平台自动下降一层的厚度，重新铺粉黏结，如此循环便会得到所需的产品（如图2-10所示）。

3DP的原理和普通打印机非常相似，这也是三维打印这一名称的由来。其最大的特点是小型化和易操作性，适用于商业、办公、科研和个人工作室等场合，但缺点是精度和表面光洁度都较低。因此在打印方式上的改进必不可少，例如压电式三维打印类似于传统的二维喷墨打印，可以打印超高精细度的样件，适用于小型精细零件的快速成型，相对于SLA，其设备更容易维护，产品表面质量也较好。

5．激光熔覆成型技术（LaserEngineeredNetShaping, LENS）

LENS的基本工作原理为：数控机床根据NC程序带动激光束移动，激光在基板上聚焦并产生熔池，粉末材料通过送粉器由惰性气体同轴送到激光光斑处，粉末迅速熔化并自然凝固，随着激光头和工作台的移动，迭加沉积出和切片图形形状和厚度一致的沉积层；然后将工作台下降，保证激光头与已沉积层保持原始工作机理，重复上述过程，直至逐层沉积出CAD设计模型形状的实体三维零件。

该技术主要优点在于：制造过程灵活性高，成形零件致密度高、性能好、组织细小，可直接成型结构零件，可实现梯度材料的过渡或结合，技术集成度高，其缺点在于：需使用高功率激光器，设备造价昂贵，成形时热应力较大，体积收缩率过大，成形精度不高，需要后续处理才能使用，材料利用率较低，零件形状简单，不易制造带悬臂的结构。

在1996年，美国Sandia国家实验室和HPEngine公司共同合作研发LENS工艺，最初目标是零部件的修复，研究了316不锈钢和Inconel625镍基合金构件的成形工艺，并由OptomecDesign公司于1997年开始商业化运行。2002年，中国北京航空航天大学王华明院士带领团队提出了涉及激光近净成形的工艺原理和相关装置专利申请和用于激光近净成形的金属材料专利申请。

目前LENS使用的材料主要是金属粉末材料，粉末近球形，粒径可以相应放宽到53～105μm，在部分场合条件可以放宽到105～150μm，含氧量低于1000ppm，流动性好，纯度高。

6．激光选区熔化技术（SLM）

激光选区熔化技术（selective laser melting, SLM）集成了激光、精密传动、新材料、计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）等技术，通过30～80μm的精细激光聚焦光斑，逐线搭接扫描新铺粉层上选定区域，形成面轮廓后，层与层堆积成型制造，从而直接获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件，致密度可达到近乎100%。SLM将复杂三维几何体简化为二维平面制造，制造成本不取决于零件的复杂性，而是取决于零件的体积和成型方向。

SLM是一种激光增材制造技术，同LENS技术一起是目前激光金属"三维打印"制造的重要方式，两者各有优势，其共同点包括：1）采用分层制造技术；2）使用高功率密度的激光器；3）直接制成终端金属产品；4）金属零件是具有冶金结合的实体，其相对密度几乎达到100%;5）适合单件和小批量模具和功能件的快速制造。

SLM和LENS的区别体现在以下几个方面：

1）送粉方式不同。SLM基于铺粉式，而LENS是同步送粉。SLM在成型时，粉末通过机械装置定量地送到成型平面上，然后采用滚筒或刮板等铺粉装置推送到成型缸，要求所铺粉末平整、紧实、均匀。LENS通过送粉装置将粉末送运到粉喷嘴，在喷嘴处粉末汇聚，要求粉末汇聚性好。

2）光路系统不同。SLM基于高速动态扫描振镜，而LENS则是基于激光与数控平台的相对运动（激光束运动或者工作平台运动）。SLM高速动态扫描振镜可让激光在7m/s的扫描速度下精确定位与粉末作用的位置，但扫描范围受限于扫描振镜；LENS激光与数控平台相对运动装置简单，精度取决于机械运动平台。

3）激光与粉末作用位置不同。SLM是激光焦点直接作用在成型平面粉床上，而LENS同步送粉立体成形是激光焦点光斑作用在喷嘴粉末汇聚处。

SLM金属功能件直接制造与传统制造都需要数字化建模，而建模的过程也就是通过产品的设计来实现产品的功能。产品的设计又需要提取制造信息补充设计规则、理论，减少后反馈设计。传统制造将特征识别作为一种映射工具，而基于SLM的金属功能件自由制造的理念使其不限于已知的特征，即SLM技术拓展了现有的设计特征。同时SLM离散/累积制造在原理上也有一定约束，设计时需要提取的制造约束信息有：1）分层约束；2）激光光斑约束；3）激光与材料相互作用约束。

7．叠层实体制造技术（LOM）

LOM成型工艺用激光切割系统按照CAD分层模型所获得的物体截面轮廓线数据，用激光束将单面涂有热熔胶的片材切割成所制零件的内外轮廓，切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用加热黏压装置将新一层材料和已切割的材料黏合在一起，然后再进行切割，这样反复逐层切割黏合，直至整个零件模型制作完毕（如图2-13所示），之后去除多余的部分，即可得到制件。激光切割时，除了切割出制件的轮廓线，也会将无轮廓线的区域切成小方网格（如图2-14所示）。网格越小，越容易剔除废料，但花费的时间也相应较长，反之亦然。

LOM常用的材料是纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜或其他适宜材料等，这种方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。叠层制造技术工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高，但是前后处理都比较费时费力，也不能制造中空的结构件，主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用的木模。