主流3D打印技術(shù)介紹,，以及哪些工藝最受歡迎,？

南極熊導(dǎo)讀：本期將向熊友們簡(jiǎn)單歸納一些主流3D打印工藝,，以及統(tǒng)計(jì)1990到2020年第三季度,，哪些工藝最受歡迎,。

增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に�,。三維打印（3D printing）是指利用打印頭,、噴嘴或其他打印技術(shù),，通過材料堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕�此術(shù)語(yǔ)通常作為增材制造的同義詞,，因此,，又稱為“3D打印”,。

△由鈦制成的3D打印噴嘴

它的制造形式，一般是以逐層沉積的形式構(gòu)建組件,。同時(shí),，國(guó)際上ISO/ASTM認(rèn)可七種不同類型的增材制造技術(shù)：

1,、光固化--紫外光通過逐點(diǎn)或逐層的光照,，選擇性地固化液態(tài)樹脂；
2,、粉末床熔合（PBF）--使用能量源（通常是激光或電子束）將粉末狀金屬或聚合物熔合在一起,；
3、粘合劑噴射--沉積在金屬粉末或沙子上的粘合劑形成了幾何形狀,；對(duì)于金屬,，通常在打印之后還需要進(jìn)行燒結(jié)，以熔化粉末,；
4,、材料噴射--材料的液滴被精確地沉淀下來，以建立一個(gè)幾何體,；
5,、片材層壓--通過超聲波焊接、釬焊,、粘合劑或化學(xué)手段將材料片材堆疊并層壓在一起,；
6、材料擠出--聚合物長(zhǎng)絲或顆粒等材料被加熱并通過噴嘴擠出,；
7,、定向能量沉積（DED）--金屬粉末或金屬絲被送入由激光或電子束產(chǎn)生的熔池中，過程類似于焊接,。

另外,，"混合制造"描述了一種，將增材制造與傳統(tǒng)的減材技術(shù)相結(jié)合的工藝,。例如,，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以配備一個(gè)DED打印頭，使同一臺(tái)機(jī)器既能3D打印材料又能銑削,。

同時(shí),，南極熊需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這七個(gè)系列中的每一個(gè)都有不同的3D打印細(xì)分類別,。例如,，定向能量沉積（DED）可以使用粉末或線材，用于制造金屬零件,。光固化則包括立體光刻技術(shù)（SLA）和數(shù)字光處理（DLP）等類別,，SLA是點(diǎn)掃描,，而DLP一次固化一層。

機(jī)器制造商也可能有專有工藝或使用不同的術(shù)語(yǔ),，以下除了這7類3D打印工藝之外的一些技術(shù)類型,。

△數(shù)字光合成（DLS）是一種基于樹脂的3D打印工藝

一、數(shù)字光合成 (DLS)
數(shù)字光合成(DLS)是Carbon開發(fā)的一種基于樹脂的專有3D打印工藝,。

DLS是如何工作的,？
數(shù)字光合成基于立體光刻。兩種工藝都使用紫外光固化樹脂,。然而,，與立體光刻不同，Carbon的工藝不會(huì)在每一層之后暫停,。樹脂不斷流過透氧膜上方的“死區(qū)”,，代表零件橫截面的紫外線圖像，被投射到透氧窗上以固化樹脂,。當(dāng)構(gòu)建平臺(tái)從樹脂桶中升起時(shí),，零件是倒置的。

可以使用哪些材料,？
Carbon提供的DLS樹脂包括彈性體,、柔性、剛性和醫(yī)用級(jí)聚氨酯,、硅酮,、氰酸酯、環(huán)氧樹脂,、聚氨酯甲基丙烯酸酯和牙科材料,。

△Carbon的數(shù)字光合成3D打印工藝

需要什么后處理？
打印后,，將零件從構(gòu)建板上取下來,，去除所有支撐。有些材料還需要在烤箱中進(jìn)行熱固化,，這可能需要4到13個(gè)小時(shí)才能完成,。熱量會(huì)引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，從而增強(qiáng)零件的強(qiáng)度,，在清潔和固化后不需要進(jìn)一步的后處理,。

為什么使用DLS？
Carbon的DLS 3D打印工藝的連續(xù)性,，避免了零件中產(chǎn)生層線,，從而提供可與注塑成型零件相媲美的表面光潔度。據(jù)說,，DLS零件也是防水和各向同性的,，在各個(gè)方向上都具有相同的強(qiáng)度,。除了提供制造原型的方法外，它還可用作制造生產(chǎn)零件的替代方案,。

二,、納米粒子噴射（NPJ）
NanoParticle Jetting (NPJ)是Xjet開發(fā)的一種3D打印工藝。這是一種材料噴射技術(shù),，使用粉末材料的懸浮液來構(gòu)建零件,。

NPJ是如何工作的？
NPJ噴射一種液體,，含有懸浮的金屬或陶瓷材料納米顆粒,，以構(gòu)建零件,，同時(shí)噴射一種支撐材料,。成型過程在250°C的加熱床中進(jìn)行，使液體在噴射時(shí)蒸發(fā),，從而使顆粒沿各個(gè)方向粘附,，打印出的3D對(duì)象主體和支撐中只有少量的粘合劑。

可以使用哪些材料,？
Xjet支持使用316L不銹鋼和兩種陶瓷材料（氧化鋯和氧化鋁）進(jìn)行納米粒子噴射,。材料通過墨盒安裝在機(jī)器中，不需要加工或處理,。

△使用納米粒子噴射技術(shù)制造的陶瓷部件

需要什么后處理,？
打印后，NPJ零件仍保留少量粘合劑,，并可能具有支撐結(jié)構(gòu),。載體材料是水溶性的并且可以溶解在水浴中。如果需要,，可以在這個(gè)階段進(jìn)行加工或拋光,。

△一個(gè)通過NPJ制造的零件的例子，它的可溶性支持材料仍然是完整的

為什么使用納米粒子噴射,？
這種工藝能夠一次制造許多小零件,。根據(jù)XJet的說法，材料噴射過程可以逐滴控制,，對(duì)于小型零件,，在±25微米范圍內(nèi)，對(duì)于較大的MIM/CIM零件,，在±50微米范圍內(nèi),。最小特征尺寸為100微米，層高可以為8到10微米,，允許精細(xì)化的細(xì)節(jié),。

由于NPJ使用懸浮材料,，因此無需篩分和其他粉末工藝所需的步驟。材料可在正常大氣中打印,，無需特殊氣體,、真空或壓力，并且易于回收,。

納米粒子噴射的應(yīng)用包括醫(yī)療行業(yè)的助聽器,、手術(shù)工具、牙冠,、牙橋和導(dǎo)鉆器,；用于航空航天和汽車的耐高溫和耐摩擦零件；以及用于電氣工業(yè)的傳感器,。

三,、超聲波增材制造(UAM)

這項(xiàng)工藝由Fabrisonic開發(fā)，通過熔合和堆疊金屬條來制造金屬工件,。這項(xiàng)工作是在混合機(jī)床上完成的,，機(jī)床能夠隨著增材制造的進(jìn)行而對(duì)工件進(jìn)行CNC銑削。通過堆疊金屬條進(jìn)行構(gòu)建,，可以實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建速度,，從而使大型部件變得實(shí)用。

△視頻：將超聲波增材制造與粉末床融合相結(jié)合

UAM是如何工作的,？
在UAM中,，材料不會(huì)熔化，而是通過超聲波焊接進(jìn)行連接,。這種焊接使用高頻振動(dòng)來連接表面,，同時(shí)金屬保持固體。通過以這種方式逐層焊接,，構(gòu)建了堅(jiān)固的零件,。

△這種固態(tài)增材工藝使得用不同金屬生產(chǎn)零件成為可能

在高頻超聲波振動(dòng)和恒壓下，超聲波運(yùn)動(dòng)通過摩擦分解氧化物,，使金屬與金屬直接接觸,。

△這個(gè)過程在加熱最少的情況下，會(huì)在薄金屬帶和基板之間形成固態(tài)原子鍵或焊接,，多個(gè)層一個(gè)接一個(gè)地焊接在一起以增加高度

重復(fù)此過程,，直到構(gòu)建出實(shí)體部分。然后可以使用CNC輪廓銑削,，來獲得所需的公差和零件的最佳表面光潔度,。

為什么使用超聲波增材制造？
硬質(zhì)金屬外表面可以構(gòu)建在由較輕金屬制成的結(jié)構(gòu)上，以提供耐用性和重量輕的零件,�,；蛘撸瑑煞N截然不同的金屬——比如鈦和鋁可以組合成混雜的層,，形成一種混合兩種特性的結(jié)構(gòu),。

這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了增材制造和減材制造的實(shí)用性，允許制造具有復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部通道的零件,。使用UAM和機(jī)械加工制造的零件的精細(xì)尺寸精度和光滑表面證明了混合制造的可能性,。

四、選擇性熱塑性電子照相工藝（STEP）
由Evolve Additive Solutions開發(fā)的選擇性熱塑性電子照相工藝(STEP)技術(shù),，將2D成像與專有 IP相結(jié)合,，以精確對(duì)齊傳入層，并將它們粘合成完全致密的最終部件,，其各向同性特性據(jù)說等于或超過注塑成型,。

△STEP專為高速、大批量增材制造和工廠車間集成而設(shè)計(jì)

可以使用哪些材料,？
該公司表示,，STEP的候選材料與可用于注塑成型的聚合物相同,。然而,，將材料作為碳粉提供需要Evolve專有的材料工程技術(shù)。

STEP機(jī)器具有多個(gè)打印頭,，這可以允許零件中有多種顏色,，但另一種可能性是多種材料的可能性。在逐個(gè)體素水平上應(yīng)用的各種不同聚合物,，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)在任何單一材料中無法獲得的性能組合,。

為什么使用STEP？
STEP提供了一種在幾天內(nèi)獲得數(shù)千個(gè)塑料零件的方法,，而等待模具加工可能需要幾周的交貨時(shí)間,。而且由于沒有模具，新技術(shù)在這個(gè)數(shù)量水平上的單件成本也低于成型,。

這種工藝可以生產(chǎn)無層紋的零件,，STEP將加熱層與加熱部件配合，產(chǎn)生比FDM等工藝更完整的融合,。

五,、多射流熔融(MJF)
該工藝是由惠普（HP）開發(fā)的粉末床3D打印工藝，它以類似于粘合劑噴射的工藝將試劑和粉末粘合在一起,。與基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光的粉末床融合系統(tǒng)不同,，MJF選擇性地將融合劑和細(xì)化劑分布在粉末床上，并使用紅外光將層融合在一起,。

△這些通過Multi Jet Fusion制造的樣品零件,，說明了工藝的設(shè)計(jì)自由度以及可以構(gòu)成單個(gè)構(gòu)建的潛在零件種類,。由于打印過程不需要支撐結(jié)構(gòu)，因此可以嵌套和堆疊零件以填充整個(gè)構(gòu)建體積

Multi Jet Fusion系統(tǒng)由可更換的構(gòu)建單元組成,，可以在MJF 3D打印機(jī)和單獨(dú)的后處理站之間移動(dòng),，以實(shí)現(xiàn)快速冷卻和粉末去除。這種模塊化系統(tǒng)允許打印機(jī)和后處理站連續(xù)運(yùn)行,，同時(shí)構(gòu)建單元循環(huán)通過,，從而加快零件生產(chǎn)。

△Periscope外殼是在惠普的Multi Jet Fusion 3D打印平臺(tái)上制造的

需要什么后處理,？
構(gòu)建完成后,，構(gòu)建單元（帶有封裝部件的整個(gè)粉末床）從打印機(jī)中取出，并放入后處理單元以進(jìn)行快速冷卻,。然后將構(gòu)建單元移動(dòng)到處理站,，在那里通過真空去除松散的粉末。

與選擇性激光燒結(jié)(SLS)等基于激光的粉末床工藝相比,，最終部件據(jù)說具有高質(zhì)量的表面光潔度,、精細(xì)的特征分辨率和更一致的機(jī)械性能。而且,，由于加熱是逐層進(jìn)行的,，粉末填充在零件下方，因此MJF的翹曲發(fā)生率低于 SLS,。

為了提高表面光潔度,，可以對(duì)零件進(jìn)行噴砂處理，然后進(jìn)行底漆處理或噴漆處理,。如果應(yīng)用需要,，可以對(duì)打印部件進(jìn)行染色或進(jìn)一步處理。

可以使用哪些材料,？
Multi Jet Fusion與惠普的一系列熱塑性塑料兼容,，包括高可重復(fù)使用性(HR) PA 12尼龍、HR PA 12 GB（玻璃珠增強(qiáng)尼龍）和HR PA 11,。

惠普還支持3D材料認(rèn)證計(jì)劃,，并與聚合物3D打印材料供應(yīng)商合作開發(fā)新材料。材料合作伙伴包括阿科瑪,、巴斯夫,、德雷斯勒集團(tuán)、贏創(chuàng),、漢高,、Lehmann & Voss & Co.、路博潤(rùn)和Sigma Design。

為什么使用Multi Jet Fusion多射流熔融
這項(xiàng)工藝可以在一天之內(nèi)快速生產(chǎn)出功能性原型和最終用途生產(chǎn)零件,。如果在每次打印完成時(shí)將構(gòu)建單元換出以進(jìn)行后處理,，則單個(gè)MJF打印機(jī)幾乎可以連續(xù)運(yùn)行。用過的粉末可以通過回收再利用,。

MJF的逐層融合比逐點(diǎn)3D打印系統(tǒng)更快,，并且據(jù)說每層都需要相同的時(shí)間來融合，而不管復(fù)雜性如何,。使用MJF可以垂直和水平嵌套零件,，用單獨(dú)的單獨(dú)零件填充整個(gè)構(gòu)建體積。Multi Jet Fusion不需要模具投資或最小訂單量,；這些因素加上它的速度,，使該工藝在批量生產(chǎn)中與注塑成型具有競(jìng)爭(zhēng)力。

哪些3D打印工藝應(yīng)用最廣泛,？
據(jù)悉,，在過去的三年里，答案發(fā)生了很大變化,。截至2020年9月,，擠出聚合物（塑料）機(jī)器的銷售最受歡迎，其次是金屬粉末床熔融機(jī)器,。

△視頻：來自Context的數(shù)據(jù),，顯示1990年第一季度到2020年第三季度 ，每個(gè)季度按材料和樣式劃分的3D打印機(jī)市場(chǎng)的情況

從視頻可知,，這些打印機(jī)類型按每季度出貨的單位,，乘以它們的系統(tǒng)價(jià)格（也稱為系統(tǒng)收入）排序。使用這一衡量標(biāo)準(zhǔn),，金屬3D打印機(jī)在過去十年中的收入增長(zhǎng)是顯而易見的。