技術貼！常見3D打印工藝與缺陷

導讀：3D打印正在逐漸成為各個領域的主要工具。然而，可用的3D打印工藝種類繁多，并且每個工藝都有著不同的有點和缺陷。因此，在您選擇相關技術或者購買3D打印機之前，有必要了解一些機器和技術背后的工藝知識。

材料擠出（Material Extrusion）

常見工藝：FFF、FDM（與FFF相同，只是它是Stratasys的商標術語）

描述：此過程使用壓力噴出流體或凝膠材料。典型例子是FFF方法，將長絲推入熱端以產(chǎn)生壓力，并使柔軟的長絲從噴嘴流出。

缺陷：層附著力差。材料分層放置，通常到第二層出現(xiàn)時，第一層已經(jīng)冷卻并且與新層結合的能力稍差。這導致部件在層間的強度遠不如材料本身。

解決方案：一些制造商試圖通過加熱室、軟件調整或特殊材料來解決這個問題，但這一問題始終存在于這項工藝之中。

△擠出熱塑性長絲

粉床融合（Powder Bed Fusion）

常用工藝：SLS、DMLS、SLM

描述：此技術在粉末材料床上進行高能量噴射，通常使用激光。利用激光選擇性固化床層的一部分，然后逐層重復這個過程。常規(guī)激光器是一個尺寸較大的組件，需要安裝在一個靜態(tài)位置，利用構建室頂部的傾斜鏡子將光束向下引導到粉末床。

缺陷：隨著粉末床面積的增加，激光撞擊粉末表面的角度變得越來越傾斜。當“點”形狀發(fā)生變化時，會導致熔化不均勻。每個區(qū)域能量也會發(fā)生變化，可能會弄亂打印部件的邊緣。

解決方案：一些供應商的解決方案是將激光升高，以減小傾斜角度，這使3D打印機高度增加。其他方案使用多個激光器，甚至移動激光源本身以將其直接保持在床上。

△激光撞擊粉末表面

光固化

常用工藝：MSLA、SLA、DLP、LCD

描述：此過程將光固化樹脂選擇性地暴露于能量之下，通常使用激光或LED面板的紫外線。固化材料層相互疊加，逐漸形成3D對象。

缺陷：通常使用紫外線來固化光聚合樹脂，但是，部件從打印機中取出后，可能會暴露在其他額外的紫外線下，尤其是太陽。額外的紫外線照射會導致材料繼續(xù)固化，最終材料會因變形而破裂。這使得這種類型的部件通常不太耐用，特別是對于戶外應用。

解決方案：一些制造商試圖用特種樹脂混合物來克服這個問題。

△光固化聚合樹脂

材料噴射（Material Jetting）

常用工藝：PolyJet

描述: 此過程從類似噴墨的噴嘴中逐層選擇性地噴射液態(tài)光聚合樹脂。每層都通過紫外線固化，隨后的層構建在固化材料的頂部。支撐材料用于處理懸垂部分。

缺陷：此類系統(tǒng)使用“管道”設置，將樹脂從墨盒流動到噴墨頭。如果需要更換材料，則必須沖洗整個管道系統(tǒng)，去除舊材料的痕跡。沖洗過程用新材料完成，這意味著每次更換材料都會浪費大量昂貴的樹脂。

△PolyJet打印手機殼

粘合劑噴射（Binder Jetting）

常用工藝：MJF、NPJ

描述：這項技術使用噴墨將一種粘合劑選擇性滴在平坦的粉末床上。接收液滴的區(qū)域將被固化，其余粉末保持松散。逐層進行以上步驟，直到生成整個對象。

缺陷：這些過程通常需要進行后處理以接合粘合劑。在某些情況下，需要巨大的熱量來激活粘合劑，而這種熱量可能需要很長時間（有時長達一天）才能冷卻，然后才能嘗試進一步加工而不使部件變形。這可能會拖累機器的生產(chǎn)率。

解決方案：一些供應商使用可更換構建室。當一個正在冷卻時，另一個可以被激活以進行第二個打印作業(yè)。

△MJF流程

直接能量沉積（Direct Energy Deposition）

常用工藝：DED、WAAM

描述：這種方法通過擠壓金屬，無論是金屬粉末還是金屬線，然后立即受到高能量的撞擊。能量熔化金屬，熔池立即下降到3D空間，通過機械臂進行位置操作。

缺陷：雖然這種方法通常高效且高度可擴展，但DED的表面分辨率質量相當差。產(chǎn)品往往看起來很粗糙。

解決方案：一些制造商使用CNC銑削工具以在打印過程中或打印后打磨表面。

△DED金屬3D打印表面

片材層壓（Sheet Lamination）

常用工藝：CleanGreen、Solido

描述：這種過程需要將材料片一張一張地層壓在一起。隨著每張材料片疊加，切割器在特定層高度切掉物體邊緣的形狀。打印完成后，將切片區(qū)域拉開以顯示最終部分。

缺陷：在某些幾何形狀中，廢料會被困在物體內部并且無法去除。這限制了工藝可能制造的幾何形狀。

△3D打印片材層壓（紙）

工藝互補是當下最好的方法

現(xiàn)在的市場上能看到不同工藝的多種3D打印機，這些機器具有不同的功能，使用不同的材料，擁有不同的定價。然而，這些打印機也有各自的局限。例如，小巧的3D打印機無法制造大零件；FFF設備無法打印光滑的表面；金屬3D打印機無法生產(chǎn)聚合物產(chǎn)品。

△多臺3D打印機

因此，如果想要盡可能多地豐富制造能力，最好的辦法是在預算充足的情況下利用多個機器，起到工藝互補作用。通過對工作類型、材料選擇、零件尺寸和質量判斷，先購買最適合的機器，然后根據(jù)需要增加更多設備。隨著機器的積累，還可以選擇或者替換更多的工具，做出更好的選擇。

參考閱讀：

1. The Fatal Flaw In Every 3D Print Process
2. Complementary 3D Printers Is The Only Way To Go