第二章 几种常见的3D打印技术

第一节 叠层实体制造工艺
1. 纸的性能 对于粘结成型材料的纸材，有以下要求：
（1）抗湿性，保证纸原料(卷轴纸)不会因时间长而吸水，从而保证热压过程 中不会因水分的损失而产生变形及粘接不牢。纸的施胶度可用来表示纸张抗水 能力的大小。 （2）良好的浸润性，保证良好的涂胶性能。 （3）抗拉强度好，保证在加工过程中不被拉断。 （4）收缩率小，保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形，可用纸的 伸缩率参数计量。 （5）剥离性能好，因剥离时破坏发生在纸张内，要求纸的垂直方向抗拉强度 不是很大。 （6）易打磨，表面光滑； （7）稳定性，成型零件可长时间保存。
第二节 熔融沉积成型工艺
FDM工艺存在的缺点如下：
（1）成型时间较长，由于喷头运动是机械运动，成型过程中速度受到一 定的限制，因此一般成型时间较长，不适于制造大型部件； （2）需要支撑材料，在成型过程中需要加入支撑材料，在打印完成后要 进行剥离，对于一些复杂构件来说，剥离存在一定的困难； （3）丝材均质性及其热稳定性不足，有时会导致打印精度不高。
第一节 叠层实体制造工艺
2. 热熔胶 粘结成型工艺中的成型材料多为涂有热熔胶的纸材，层与层之间的粘结是 靠热熔胶保证的。热熔胶的种类很多，其中以EVA型热熔胶的需求量为最大， 占热熔胶消费总量的80%左右。当然，在热熔胶中还要添加某些特殊的组分。 叠层实体制造工艺用纸材对热熔胶的基本要求为：
（1）良好的热熔冷固性（约70~100℃开始熔化，室温下固化）。 （2）在反复“熔融－固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。 （3）熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性。 （4）与纸具有足够粘结强度。 （5）良好的废料分离性能。
3D打印机技术及应用
第二章 几种常见的3D打印技术
第二章 几种常见的3D打印技术
3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用箔材、粉末状金属 及塑料等可粘合材料或液态树脂可光固化材料等，通过逐层打印的方式来 构造物体的技术。3D打印设备出现在20世纪80年代末期，早期的3D打印 设备主要面向工业品或其模型的制造，如今它在其他多个领域也得到了应 用，如制造服装、建筑模型、医疗模型、巧克力甜品等。
第一节 叠层实体制造工艺
2.1.3 叠层实体制造工艺的应用实例
叠层实体制造工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较 短，激光器使用寿命长，制成件有良好的抗压缩力学性能，适合于产品设计 的概念建模和功能性测试零件。制成的零件具有木质属性，特别适合于直接 制作砂型铸造用木模。图2-2所示为叠层实体制造工艺制作的汽缸盖模型。
直接切割箔材，继而进行逐层堆积而成型制品。相比较其他若干3D打印工 艺，叠层实体制造工艺多采用纸材，具有原材料成本低廉，建造过程较为 简单快捷，工艺过程容易实现等优点，因此成为早期推出并迅速得到较快 发展的3D打印工艺方法之一。
第一节 叠层实体制造工艺
采用激光切割的叠层实体制造工艺基本原理如图2-1所示。根据三维 CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的 指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将底面涂有热溶胶的箔材 （如涂覆纸、涂覆陶瓷箔等）送至工作台的上方。激光切割系统按照计算 机提取的横截面轮廓用二氧化碳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 纸压紧并粘合在一起。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、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许 多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最 终获得三维产品。
熔融沉积成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和 提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头，如图2-5所示。一个喷头用于沉 积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成 本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较 高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以 外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材 料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。
（1）成型速度较快，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； （2）原型精度高，翘曲变形小； （3）原型能承受高达200℃的温度，有较高的硬度和较好的力学性能； （4）无须设计和制作支撑结构； （5）废料易剥离，无须后固化处理； （6）可制作尺寸大的原型； （7）原材料价格便宜，原型制作成本低。
第一节 叠层实体制造工艺
但是，叠层实体制造工艺也有不足之处： （1）原型层间的抗拉强度不够好； （2）纸质原型易吸湿膨胀，成型后需尽快进行表面防潮处理； （3）原型表面有台阶纹理，成型后需进行表面打磨，因此难以直接构建形 状精细、多曲面的零件。
第一节 叠层实体制造工艺
2.1.2 叠层实体制造工艺用纸材
本章主要介绍早期因制造业新产品开发需求而发展起来的几种常见的 3D打印技术，包括叠层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing， LOM）、熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）、光固 化成型技术（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、选择性激光烧结技 术（Selective Laser Sintering，SLS）以及三维印刷技术（ThreeDimension Printing，3DP）等。
第二节 熔融沉积成型工艺
图2-4 FDM工艺原理图
第二节 熔融沉积成型工艺
快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作X-Y平面运动。 丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然 后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行 下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤 丝的直径大小及喷头移动速度等确定。
第一节 叠层实体制造工艺
3. 涂布工艺 涂布工艺有涂布形状和涂布厚度两个方面。涂布形状指的是采用均匀式涂 布还是非均匀涂布，非均匀涂布又有多种形状。均匀式涂布采用狭缝式刮板进 行涂布，非均匀涂布有条纹式和颗粒式。一般来讲，非均匀涂布可以减小应力 集中，但涂布设备比较贵。涂布厚度指的是在纸材上涂多厚的胶，选择涂布厚 度的原则是在保证可靠粘接的情况下，尽可能涂得薄，以减少变形、溢胶和错 移。
a）CAD模型
b）LOM模型
图2-3 铸铁手柄的CAD模型和LOM原型Βιβλιοθήκη 第二章 几种常见的3D打印技术
1 叠层实体制造工艺 2 熔融沉积成型工艺 3 光固化成型工艺 4 选择性激光烧结工艺 5 三维喷涂粘结工艺 6 PolyJet3D打印工艺
第二节 熔融沉积成型工艺
2.2.1 熔融沉积成型工艺的原理和特点
第二节 熔融沉积成型工艺
（4）设备、材料体积较小，采用FDM路径的3D打印机设备体积较小，而 耗材也是成卷的丝材，便于搬运，适合于办公室、家庭等环境； （5）原料利用率高，没有使用或者使用过程中废弃的成型材料和支撑材 料可以进行回收，加工再利用，能够有效提高原料的利用效率； （6）后处理相对简单，目前采用的支撑材料多为水溶性材料，剥离较为 简单，而其他技术路径后处理往往还需要进行固化处理，需要其他辅助设 备，FDM则不需要。
第二节 熔融沉积成型工艺
图2-5 双喷头熔融沉积工艺的基本原理
第二节 熔融沉积成型工艺
2. 熔融沉积成型的特点 FDM工艺具有的优点如下：
（1）成本低，FDM技术不采用激光器，设备运营维护成本较低，而其成型 材料 也多为 ABS、PC 等产用工程塑料，成本同样较低，因此目前桌面级 3D打印机多采用FDM技术路径； （2）成型材料范围较广，通过上述分析我们知道，ABS、PLA、PC、PP 等热塑性材料均可作为FDM路径的成型材料，这些都是常见的工程塑料，易 于取得，且成本较低； （3）环境污染较小，在整个过程中只涉及热塑材料的熔融和凝固，且在较 为封闭的3D打印室内进行，且不涉及高温、高压，没有有毒有害物质排放， 因此，环境友好程度较高；
到目前为止，单一成型材料一般为ABS、PLA、石蜡、尼龙、PC和 PPSF等。支撑材料有两种类型：一种是剥离性支撑，需要手动剥离零件 表面的支撑；另一种是水溶性支撑，它可以分解于碱性水溶液。
第二节 熔融沉积成型工艺
熔融沉积成型设备中的热熔喷头是该工艺应用中的关键部件。除了 热熔喷头以外，成型材料的相关特性（如材料的黏度、熔融温度、粘结 性以及收缩率等）也是FDM工艺应用过程中的关键，其主要特性有：
用于3D打印工艺中的箔材有纸材、塑料薄膜以及金属箔等。在目前实 用化的叠层实体制造3D打印工艺中，美国Helisys公司推出的3D打印机采 用的是纸材，而以色列Solido公司推出的SD300系列设备使用的是塑料薄 膜。同时，金属箔作为叠层材料进行3D打印的工艺方法也在研究进行中。 塑料薄膜材料成型建造过程中，层间的粘结是由打印设备喷洒粘结剂实现 的，成型材料制备及其要求涉及三个方面的问题，即薄层材料、粘结剂和 涂布工艺。目前的成型材料中的薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔 胶。纸材料的选取、热熔胶的配置及涂布工艺均要从保证最终成型零件的 质量出发，同时要考虑成本。对于纸材的性能，要求厚度均匀、具有足够 的抗拉强度以及粘结剂有较好的湿润性、凃挂性和粘结性等。下面就纸的 性能、热熔胶的要求及凃布工艺进行简要的介绍。
1. 熔融沉积成型的基本原理 熔融沉积成型（FDM）是目前应用最广泛的一种3D打印工艺，很多消费 级3D打印机都是采用该种工艺，因为它实现起来相对容易，设备及模型制作 成本相对较低。 FDM加热头把热熔性材料（ABS、尼龙、蜡等）加热到临界状态，使其呈 现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD确定的二维几何轨迹运动， 同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。 这个过程与二维打印机的打印过程很相似，只不过从打印头出来的不是油墨， 而是ABS树脂等材料的熔融物。同时由于3D打印机的打印头或底座能够在垂 直方向移动，所以它能让材料逐层进行快速累积，并且每层都是CAD模型确定 的轨迹打印出确定的形状，所以最终能够打印出设计好的三维物体。FDM工 艺原理如图2-4所示。
第二章 几种常见的3D打印技术
1 叠层实体制造工艺 2 熔融沉积成型工艺 3 光固化成型工艺 4 选择性激光烧结工艺 5 三维喷涂粘结工艺 6 PolyJet3D打印工艺
第一节 叠层实体制造工艺
2.1.1 叠层实体制造工艺的原理和特点
1. 叠层实体制造工艺原理 叠层实体制造工艺（简称LOM）使用箔材，通过激光扫描或切刀运动
第一节 叠层实体制造工艺
图2-1 叠层实体制造工艺的原理 1-激光器 2-压滚 3-纸材 4-材料送进滚筒 5-升降台 6-叠层 7-当前叠层轮廓线
叠层实体制造工艺中激光束或切刀只需按照分层信息提供的截面轮廓 线逐层切割而无须对整个截面进行扫描，且不需考虑支撑。
第一节 叠层实体制造工艺
2. 叠层实体制造工艺特点 与其他3D打印工艺相比，叠层实体制造工艺具有制作效率高、速度快、 成本低等优点。具体优点如下：
a）模型正面
b）模型反面
图2-2 用于装配检验的汽缸盖LOM模型
第一节 叠层实体制造工艺
某机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时 困难，而且精度也得不到保证。直接由CAD模型高精度地快速制作砂型铸 造用的木模，克服了人工制作的局限和困难，极大地缩短了产品的生产周 期并提高了产品的精度和质量，图2-3所示为铸铁手柄的CAD模型和LOM 原型。
第二节 熔融沉积成型工艺
2.2.2 熔融沉积成型材料与支撑材料
FDM技术路径涉及的材料主要包括成型材料和支撑材料。一般的热 塑性材料作适当改性后都可用于熔融沉积成型。同一种材料可以做出不 同的颜色，用于制造彩色零件。该工艺也可以堆积复合材料零件，如把 低熔点的蜡或塑料熔融丝与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、玻璃纤维、 碳纤维等混合作为多相成型材料。