不同分类的增材制造技术

目前常见的技术类型分为3DP 技术、FDM熔融沉积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、LOM分层实体制造技术、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

1.3DP技术

3DP技术（Three Dimensional Printing，TDP）是美国麻省理工学院（MIT）在20世纪90年代发明的一种快速成型技术（赵云龙，2006）。3DP技术是一种基于喷射喷头的三维成型技术。3DP广泛应用于产品概念设计、模型验证、直接金属铸件、多孔陶瓷过滤件、医学工程等不同领域的研究和开发。基于这种技术的设备以Z Corporation公司制造的三维打印机为代表。

（1）3DP技术原理和成型过程。3DP技术的原理（见图4.20）是利用墨水喷头向粉末材料层喷射液体黏结剂，使粉末颗粒逐层黏结成型。具体的工艺过程包括建模、分层、打印和后处理。

图4.20　3DP技术

首先在CAD软件中进行几何建模，模型要具有完整的壁厚和内部描述功能。接着采用分层软件对CAD模型进行分层，获得逐层二维横截面轮廓、扫描路径等数据。成型时，先在成型区铺上一层粉末材料。喷嘴向粉末层喷射彩色黏结液，使截面粉末黏结在一起。然后成型活塞下降一个层厚，接着继续铺上一层粉末，进行下一层截面的黏结。重复以上过程，就能获得一个完整的彩色原型制件。打印结束后，从成型区中取出原型件，进行除粉、烘干处理，接着可以把蜡、环氧树脂或其他材料渗入原型件中，以提高原型件的强度和使用寿命。

（2）3DP技术的特点。3DP技术具有制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、成型速度快等特点，适合做桌面型的快速成型设备；在黏结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一；成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型；制造成本低，环境友好。

3DP技术生产的产品缺点是强度较低、精度较差，因此，也限制了它的应用领域，目前主要做概念型模型，而不做功能性试验。但随着材料和加工后处理技术的发展，未来有可能可以在更多的领域应用，其发展也越来越受到重视。

2.FDM熔融沉积成型技术

熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM），又称熔融挤出成型（Melted Extrusion Molding），由美国学者Scott Crump博士于1988年率先提出，并于1989年申请了该项技术的专利。随后，他创立的Stratasys公司于1992年卖出了第一台基于FDM的打印机。

（1）FDM技术原理和成型过程。FDM熔融沉积成型技术的原理是将丝状的热熔性材料加热融化，根据数字分层模型逐层涂敷凝固，形成整个实体造型。

FDM技术的成型过程如下：首先是三维模型的构建和分层，然后设备读入数据，在计算机控制下将丝状的热熔性材料加热融化，三维喷头根据截面轮廓信息，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再成型下一层，直至形成整个实体造型（见图4.21）。

图4.21　FDM技术

（2）FDM技术特点。FDM技术的优点包括：适用的材料较多；成本比较低；可在办公室环境下操作；适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行增材制造，因此，借助FDM打印机还可以打印蔗糖、巧克力和生物材料。

FDM技术的主要缺点：只能使用可以通过打印头挤出的材料；熔化的金属或玻璃必须在不同的条件下成型；成型的实物表面较粗糙，需做后期处理；ABS材料有气味、微毒，需在通风条件下打印；需要材料支撑。

3.SLA立体平版印刷技术

光敏固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）是由Charles（Chuck）W. Hull于1986年提出的技术。SLA是最早实用化的增材制造技术，采用液态光敏树脂原料，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，层层叠加成型（Guo，Ming，2013）。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等。

（1）SLA技术原理及成型过程（见图4.22）。SLA成型原理和过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用程序将模型进行切片处理，设计扫描路径。产生的数据通过计算机精确控制激光扫描器和升降台的运动，激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，每次生成一定厚度的零件薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

图4.22　SLA技术

（2） SLA技术特点。在现有的快速成型技术中，以SLA的研究最为深入，衍生出的技术类别最多，运用也最为广泛。SLA成型速度快，自动化程度高，可成型任意复杂形状，尺寸精度高，有较好的表面质量，能制造形状特别复杂和特别精细的零件。主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

然而，SLA技术使用和维护成本过高。由于原材料多为树脂类，其成型件的强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。另外，由于树脂在固化过程中会产生收缩，故会不可避免地产生应力或引起形变。因此，开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

4.SLS选区激光烧结技术

选区激光烧结技术（Selective Laser Sintering，SLS）由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Dechard于1989年研制成功，美国DTM公司1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Station。SLS技术采用激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件的方法成型，可直接得到塑料、陶瓷或者金属产品（白培康，2009）。(www.xing528.com)

（1）SLS技术原理和成型过程（见图4.23）。选择性激光烧结技术的原理（Gibson Lan，Shi Dongping，1997）是，采用高能激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层，层层叠加生成所需形状的零件。其工艺过程是首先利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，再根据具体工艺要求用分层软件对模型进行分层，再对二维层面信息进行数据处理并加入加工参数。设备先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结。完成一层烧结后再进行下一层烧结，且两层之间烧结相连，如此层层烧结、堆积成型为与CAD原型一致的实体，而未烧结粉末可以起到支撑的作用，最后将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。

图4.23　SLS技术

（2）SLS技术特点。SLS成型方法有着柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜、材料利用率高、成型速度快等特点。从理论上说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料，包括金属、塑料和陶瓷；成型过程与零件复杂程度无关，制件的强度高；材料利用率高，未烧结的粉末可重复使用；无须支撑结构。SLS适合于许多领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、汽车等行业。

但是SLS成型方法也有一些缺点，如原型结构疏松、多孔，且有内应力，制件易变形；生成陶瓷、金属制件的后处理较难；需要预热和冷却；成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；成型过程会产生有毒气体及粉尘，污染环境；设备价格比较昂贵。

5.LOM分层实体制造技术

分层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功（Park et al.，2000）。由于LOM制造技术可使用纸材，成本低廉，制件精度高，因此，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。

（1）LOM技术原理和成型过程（见图4.24）。LOM技术的原理是，根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片黏结成三维实体。LOM工艺过程首先是根据三维模型获得每个截面的轮廓线（安德烈亚斯·格尔哈特，2004），在计算机控制下，使激光切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）送至工作台的上方。激光切割系统用激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。然后，由热压机构将一层层纸压紧并黏合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、黏合和切割新的一层纸。最后形成三维原型零件。

图4.24　LOM技术

（2）LOM技术特点。LOM技术由于只需要使用激光束沿物体的轮廓进行切割，无须扫描整个断面，所以成型速度很快，因而常用于加工内部结构简单的大型零件。原型精度高，翘曲变形小；原型能承受高达200摄氏度的温度，有较高的硬度和较好的力学性能；无须设计和制作支撑结构；可进行切削加工；废料易剥离，无须后固化处理；可制作尺寸大的原型；原材料价格便宜，原型制作成本低。

LOM技术的缺点包括：不能制造中空结构件；不能直接制作塑料原型；原型的抗拉强度和弹性不够好，易吸湿膨胀；原型表面有台阶纹理，难以构建形状精细、多曲面的零件，成型后需进行表面打磨（Kechagias，2007）。

6.DLP激光成型技术

1993年，Takagi和Nakajimat提出了基于SLA立体光固化技术的MIPSLA （Mask Image Projection SLA）工艺，使用掩膜图像可以每次曝光实现一层的加工，而不是采用SLA的逐线扫描的方式。

（1）DLP技术原理和成型过程（见图4.25）。DLP激光成型技术的原理和SLA技术相似，不同的是它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，逐层进行光固化，由于每层固化时通过整个面进行固化，因此，速度比SLA立体平版印刷技术速度更快。DLP工艺的成型过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，并对CAD模型进行切片分层。然后用数字光处理器（DLP）投影仪将片层图像投影到光敏树脂溶液表面，投影区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，每次生成一定厚度的零件薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。

图4.25　DLP技术

（2）DLP技术特点。DLP技术由于每次是投影固化一个面，成型速度比SLA快，设备造价比SLA低，可成型任意复杂形状，尺寸精度高，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。主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

由于原材料多为树脂类，其成型件的强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。由于树脂固化过程中会产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。

7.UV紫外线成型技术

UV紫外线成型技术，也称UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术，是目前增材制造中精度最高的一种成型技术（Farahani et al.，2014）。3D System公司使用UV紫外线照射液态光敏树脂成型技术开发了ProJet产品系列，适合高精度要求的产品。

（1）UV紫外线成型技术原理和成型过程（见图4.26）。UV紫外线成型技术和SLA技术工作原理相类似，不同的是它利用喷头喷射液态材料，然后用UV紫外线照射固化成型。UV紫外线成型过程，先将液体光聚合物层喷射到托盘上然后用紫外线将其固化。一次构建一层，直至创建完整的三维模型。可处理和立即使用完全固化的模型，无须额外进行后续固化。3D打印机还会将特别设计的凝胶类支撑材料与所选的模型材料一起喷射，以支撑悬垂和复杂的几何图形。可用手和用水轻松将其除去。

图4.26　UV紫外线成型技术

（2）UV紫外线成型技术特点。UV紫外线成型技术具有速度快、精度高以及范围广泛的材料等特点（唐在峰，1998）。相比SLA技术还可在同一打印任务中将不同3D打印材料融入同一3D 打印模型。该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。这种方法的特点是有较高的精度和较好的表面质量，能制造形状特别复杂和特别精细的零件，在生物、医药、微电子等领域有巨大的应用价值（Farahani，Lebel，2014）。

但UV紫外线成型系统造价高昂，使用和维护成本高。由于原材料多为树脂类，其成型件的强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。此外树脂固化过程中会产生收缩，会产生应力或引起形变。