3d打印(增材制造)是一种生产工艺的统称,在历史发展过程中,出现了多种成型方式,对应着采用不同技术的3d打印机,今后,还会有新的成型方式涌现出来。多种不同类型的成型工艺,细究其成型原理,都是基于了“分层制造,层层叠加”的制造方法。下面简单介绍一下这些不同类型的3d打印机。
1、lom 3d打印机
分层实体制造(laminated object manufacturing)快速原型技术是薄片材料叠加工艺,简称lom。这项技术由美国helisys公司的michael feygin于1986年研发成功,该公司推出了lom-1050和lom-2030两种型号的成型机。
lom以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,采用二氧化碳激光器切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸片材用激光切割出工件的内外轮廓,同时交叉切割非零件区域以便于废料的去除。切割完一层后,送料机构将新的一层纸片材叠加上去,工作台带动已成形的工件下降(通常材料厚度为0.1-0.2mm),与带状片材(料带)分离;供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,使新层移到加工区域;工作台上升到加工平面;铺纸滚轮进行热压,工件的层数增加一层,高度增加一个料厚;再在新层上切割截面轮廓,最终获得三维产品。
这是历史最为悠久的3d打印技术之一,不过,今天已不再成为主流。值得一提的是一家爱尔兰制造商mcor公司,推出的一款全彩高清iris hd 3d打印机,相比其他彩色3d打印机,mcor iris打印机优势在于其色彩多样、耗材与操作成本低廉,使用了标准的复印纸,能够生成较逼真的外观。
2、sla3d打印机
立体光固化成型(stereolithography apparatus,简称sla),也称为立体光刻成型。sla最早是由美国charles.hull于1984年提出并获得美国国家专利,是最早发展起来的3d打印技术之一。charlesw. hull在获得该专利后两年便成立了3d systems公司,并于1988年发布了世界上第一台商用3d打印机sla-250。
sla以光敏树脂为原料,将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂连点扫描,便被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。当层固化完毕,移动工作台,在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复直到整个零件原型制造完毕。该项技术特点是精度和光洁度高,经过了20年的发展,sla已成为当今最成熟、应用最为广泛的3d打印技术,在珠宝首饰和齿科领域有着比较成熟的应用。
3、fdm 3d打印机
fdm是继lom和sla工艺之后发展起来的一种3d打印技术,熔融沉积成型(fuseddeposition modeling,简称fdm)是由scottcrump于1988年发明,随后scottcrump创立了stratasys公司。1992年,stratasys公司推出了世界上第一台基于fdm技术的3d打印机——3dmodeler,这也标志着fdm技术步入商用阶段。如今stratasys公司已跃居为全球第一的3d打印设备制造商。
fdm工艺使用的材料一般是热塑性材料,如蜡、abs、pc、尼龙等,以丝状供料,材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会发生变化,当形状发生较大的变化时,上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用,这就需要设计一些辅助结构-“支撑”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。
fdm3d打印机使用、维护简单,成本较低。用蜡成形的零件原型,可以直接用于失蜡铸造。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,特别是开源运动助推了fdm机型的推广普及,迅速拉低了价格,如今已有千元以下的3d打印机,日常所见到的基本上是fdm 3d打印机。
4、sls 3d打印机
sls工艺使用了粉末状材料,除了石蜡、聚碳酸酯、尼龙、陶瓷等材料外,还能够打印金属材料。选择性激光烧结(selectivelaser sintering,简称sls)最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的c.r.dechard于1989年在其硕士论文中提出的,随后c.r.dechard创立了dtm公司,并于1992年发布了基于sls技术的工业级商用3d打印机sinterstation。
选择性激光烧结过程是:先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面,数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射,使粉末的温度升至熔化点,从而进行烧结,并与下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后,工作台将下降一个层厚,这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末,并开始新一层截面的烧结,如此反复操作,直到工件完全成型。
5、3dp 3d打印机
三维打印(three-dimensionprinting,简称3dp)技术是由美国麻省理工学院的emanualsachs教授于1993年发明的,3dp的工作原理类似于喷墨打印机的工作原理,是形式上最为贴合“3d打印”概念的成型技术之一。
3dp技术的工作原理就像一台过去的桌面2d打印机。其过程与选择性激光烧结(sls)技术有点类似,但是它并不用激光来烧结材料,而是使用一个喷墨打印头在石膏粉末上面喷射液体粘合剂。喷一层,然后再铺上一层薄薄的石膏粉末,如此反复,直到产品制作完成,然后除去模型上多余的粉末材料即可。
3dp成型工艺可以实现全彩色打印,是发展速度非常快的技术,国内机器制造商已将机器价格拉低到十多万的区间,是很有发展潜力的成型方式之一。
6、slm 3d打印机
选择性激光熔化(selective laser melting,简称slm)相对于sls来说是新的技术,也是sls技术的一种延伸,这两种方法,过程基本是一样的,区别在于,slm使用金属粉末代替sls中的高分子聚合物作为粘合剂,一步直接形成多孔性低的成品,也不需要像sls技术中需要渗透,也就是在加工的过程中用激光使粉体完全熔化,不需要黏结剂,成型的精度和力学性能都比sls要好。
典型的是德国eos公司的m280、m290机器。
7、dlp 3d打印机
数字光处理(digital light processing,简称dlp)是一项使用在投影仪和背投电视中的显像技术。dlp技术最早是由德州仪器开发的,它至今仍然是此项技术的主要供应商。
在最近几年,dlp技术被应用到3d打印行业,其原理基本与sla相同,只不过每次激光成型一个面,这使得成型速度大大提升。现在,已出现了分辨率达2k的dlp 3d打印机,精度也大幅度提升。
8、polyjet 3d打印机
polyjet 和 polyjet 矩阵是相关的两种新技术由 objet geometries 公司分别在2000年和2007年推出。 它们被主要运用在快速固化成形的行业里,也就是俗称的 3d 打印机的成型方法之一。
聚合物喷射技术(polyjet)技术也是当前最为先进的3d打印技术之一,它的成型原理与3dp有点类似,不过喷射的不是粘合剂而是聚合物材料。polyjet的喷射打印头沿x轴方向来回运动,工作原理与喷墨打印机十分类似,不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后,紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光,对光敏聚合物材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后,工作台会精准地下降一个成型层厚,喷头继续喷射光敏聚合材料,并进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层,直到整个工件打印制作完成。在工件成型过程中,使用两种不同类型的光敏树脂材料:一种是用来成型实际模型的材料,另一种是用来制作支撑的树脂材料。当整个打印成型过程完成后,再把支撑材料去除。
使用polyjet聚合物喷射技术成型的模型精度非常高,最薄层厚能达到16微米。设备提供封闭的成型工作环境,适合于普通的办公室环境。此外,polyjet技术还支持多种不同性质的材料同时成型,可以实现全彩色,能够制作非常复杂的模型。
9、mjp 3d打印机
多喷头3d打印技术( multi-jet printing system,简称mjp)是3d systems公司的专利,其实是对polyjet工艺的不同称呼,但其工作原理是一致的。这种技术透过先进的喷头逐一将材料堆叠成型状,优势是能够实现高速打印与高品质打印。
10、mjf 3d打印机
多射流熔融技术(multi-jet fusion,简称mjf)主要由惠普公司研发,也是近年来刚兴起的3d打印工艺之一,被称为是新兴增材制造技术的一大“中坚力量”。
对于mjf技术我们已经知道的是,其机器主要依靠两个不同的喷墨组件打造全彩的3d零部件,一个组件主要负责铺设打印材料,形成对象实体,另一个喷墨组件则负责喷涂、上色和融合,使部件获得所需要的强度和纹理。该技术的工作方式简单来说就是:先铺一层粉末,然后喷射熔剂,与此同时还会喷射一种精细剂(detailing agent),以保证打印对象边缘的精细度,然后再在上面施加一次热源。惠普多射流熔融3d打印设备以高速度和低成本著称,hp公司表示其3d打印速度为竞争技术的10倍,打印成本则为竞争技术的一半。设备中有3个打印头,每个打印头上都有1万个喷嘴,分辨率可达1200 dpi,目前可用的3d打印材料为热塑性塑料,不过惠普将与材料合作伙伴开发更丰富的3d打印材料,包括金属和陶瓷材料,从而进一步扩展其3d打印设备的应用。在formnext2016展会中展出的hp jet fusion 3d 4200 设备的应用领域为快速原型和短期制造。
11、纳米金属射流(nanoparticle jetting )3d打印机
2015年底,一家以色列创业企业xjet在金属3d打印领域提出了纳米金属射流(nanoparticle jetting )3d打印成型方式,xjet专利的纳米金属射流技术利用纳米粒子来创建特殊的液态金属,从而可以快速打印出金属部件,该技术具有将金属3d打印的速度和打印量都提升了一个台阶,并且可以实现无与伦比的精度和表面光洁度,另外操作也非常简单、安全。不过,据报道,该机器目前可打印的模型比较小。
12、clip 3d打印机
连续液界面生产工艺(continuous liquid interface production,简称clip)是来自硅谷的3d打印初创公司carbon3d 2015年初推出的革命性的高速clip技术。应用这种技术,树脂在紫外线照射下会固化成型,液池下方的投影装置,让紫外线按照打印物件每一层剖面的形状照射液面。与此同时,当打印的某一层完成后,生长平台会向上提起,在刚刚长成的一层树脂上再长出新层。相比以往的3d打印技术,工作效率提高了25到100倍。
以上简单介绍了当前主流的和新兴的3d打印机,很多是流行的说法,而且新的成型方式还会不断出现。下面是专业的增材制造技术/工艺,给出一个列表,【】是公司名称:
增材制造工艺可被分为三大类,分别是:
一、液体材料增材制造系统(liquid-based am system)
二、固体材料增材制造系统(solid-based am system)
三、粉末材料增材制造系统(powder-based am system)
每个系统下又有多个工艺,分别是:
一、液体材料增材制造系统(liquid-based am system)
1) sterolithography apparatus (sla),【3d systems】
2) polyjet,【stratasys】
3) multi-jet printing system (mjp), 【3d systems】
4) perfactory, 【envisiontec】
5) solid object ultraviolet-laser printer
6) bioplotter, 【envisiontec】
7) 3d bioprinting, 【regenhu】
8) rapid freeze prototyping
二、固体材料增材制造系统(solid-based am system)
1) fused deposition modelling (fdm), 【stratasys】
2) benchtop system, 【solidscape】
3) selective deposition lamination (sdl), 【mcor technologies】
4) laminated objet manufacutring (lom), 【cubic technologies】
5) ultrasonic consolidation
三、粉末材料增材制造系统(powder-based am system)
1) selective laser sintering (sls),【3d systems】
2) colorjet printing (cjp), 【3d systems】
3) eosint systems, 【eos】
4) laser engineered net shaping (lens) and aerosol jet system, 【optomec】
5) electron beam melting (ebm), 【arcam】
6) lasercusing, 【concept laser gmbh】
7) selective laser melting (slm), 【slm solutions gmbh】
8) phenix pxtm series, 【3d systems】
9) microsintering, 【3d-micromac ag】
10) digital part materialization (dpm), 【ex one company】
11)vx system, 【voxeljet ag 】