7大增材製造技術大盤點！

◎文丨e-works胡中揚

筆者從2007年在華科的校辦企業接觸到快速成型機一來，一直對3D列印方面有所關注。3D列印經過幾十年的發展，現在在中國的各個行業都已經普及開來，從個人消費級的3d印表機到工業上的增材製造運用，3D列印已經是智慧製造必談的話題！

筆者根據自己的平時工作中的積累和多次歐美考察的總結，再加上各類資料的閱讀，整理出來3D列印的分類，本文僅供對3D列印感興趣的讀者做一個綜合性的介紹，具體每一種技術沒有詳細展開，本文有部分內容引自百度，維基百科和知乎和相關專業論壇的文章。如有不正之處，懇請網友指正。

本文的3D列印是指所有的增材製造技術。根據不同的原理，分為以下幾大類：

① 光聚合成型技術增材製造：（主要材料是光敏樹脂）

• SLA：Stereolithography（立體印刷術）

• CLIP：ContinuousLiquid Interface Production（連續液態介面製造）

• PolyJet：聚合物噴射

• DLP：數字光處理

② 以燒結和熔化為基本原理： （主要材料是金屬粉末和聚合混合粉末及金屬絲）

• SLS：選擇性鐳射燒結技術（Selective Laser Sintering）

• SLM：選擇性鐳射熔化技術（SelectiveLaser Melting, SLM）

• EBM：電子束熔化技術（ElectronBeam Melting，EBM）

③ 以粉末-粘合劑為基本原理：

3DP：三維列印技術（ThreeDimensional Printing）

④ FDM：熔融沉積造型（Fused Deposition Modelling）（主要材料ABS和PLA）

⑤ 氣溶膠列印技術（Aerosolprinting）

⑥ 細胞3D列印（cellbioprinting）

⑦ LOM：層壓板製造（LaminatedObject Manufacture）

下面將一一介紹以上技術的基本內容：

01

光聚合成型技術增材製造

① SLA：Stereolithography（立體印刷術）

這種技術也是最早實用化的快速成形技術。它的具體原理是選擇性地用特定波長(例如，250-300 nM波長)與強度的鐳射聚焦到光固化材料（例如液態光敏樹脂）表面，使之發生聚合反應，再由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業，然後升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。

▲原理圖

SLA的具體工藝如下：

通過CAD設計出三維實體模型，利用離散程式將模型進行切片處理，設計掃描路徑，產生的資料將精確控制鐳射掃描器和升降臺的運動；其次，鐳射光束通過數控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化後，當一層加工完畢後，就生成零件的一個截面；

然後， 升降臺下降一定距離， 固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型，最後，將原型從樹脂中取出後，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產品。

SLA廠商：

國內：華中科技大學、西安交通大學、珠海西通、智壘等；

國外：3DSystems、EOS、Formlabs、Stratasys、Z Corporation、CMET、D-MEC、Teijinseiki等

精彩案例視訊

Formlabs 3D印表機

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② CLIP：Continuous Liquid Interface Production（連續液態介面製造）

這種屬於SLA的改良方式，該技術是由硅谷的一家初創公司Carbon3D在2015年發明。CLIP技術不僅可以穩定地提高3D列印速度，同時還可以大幅提高列印精度。

CLIP技術利用了光和氧氣對樹脂的不同作用而形成，簡而言之，光能使樹脂固化，而氧氣則能抑制這一過程產生，所以光與氧對樹脂的作用是相反的，如果能夠精確控制光與氧對樹脂的影響，就可以塑造出複雜的結構。這種新型的CLIP技術製作一個普通模型所需要的時間只有短短几分鐘，與傳統方法相比快了幾十倍。而且，它還可以相對輕鬆地得到無層面的列印製品。與傳統光固化技術相比，CLIP帶來的這種改變可以堪稱是革命性的。

Carbon 3D公司 CLIP技術唯美視訊

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③ DLP數字光處理快速成型技術

DLP技術是光固化成型技術中的一種，最早由德州儀器開發，被稱為數字光處理快速成型技術。DLP與SLA光固化成型技術比較相似，列印材料同爲光敏樹脂，工作原理都是利用液態光敏樹脂在紫外光照射下固化的特性。

不同的是，DLP是一下子可以成型一個面，而SLA只可以成型一個點，再由點到線、由線到面進行固化，故DLP比SLA要快。二者本質的差別在於照射的光源：SLA採用鐳射點聚焦到液態光聚合物，而DLP成型技術是先把影像訊號經過數字處理，然後再把光投影出來固化光聚合物。

DLP原理動態圖

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④ PolyJet PolyJet

聚合物噴射技術是以色列Objet公司於2000年初推出的專利技術（已和stratasys合併，現在是stratasys公司產品），PolyJet技術也是當前最為先進的3D列印技術之一。

Objet印表機原理介紹

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具體工作原理如下：

• 噴頭沿X／Y軸方向運動，光敏樹脂噴射在工作臺上，同時UV紫外光燈沿著噴頭運動方向發射紫外光對工作臺上的光敏樹脂進行固化，完成一層列印；

• 之後工作臺沿Z軸下降一個層厚，裝置重複上述過程，完成下一層的列印；

• 重複前述過程，直至工件列印完成。

• 去除支撐結構。

02

以燒結和熔化為基本原理

① SLS：Selective Laser Sintering,（選擇性鐳射燒結）

SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，並刮平；用高強度的CO2鐳射器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的鐳射照射下被燒結在一起，得到零件的截面，並與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結完後，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面。

▲原理圖

SLS工藝最大的優點在於選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結物件。

粉床上未被燒結部分成為燒結部分的支撐結構，因而無需考慮支撐系統（硬體和軟體）。SLS工藝與鑄造工藝的關係極為密切，如燒結的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟模，熱塑性材料燒結的模型可做消失模。

用於SLS燒結的金屬粉末主要有三種：單一金屬粉末、金屬混合粉、金屬粉加有機物粉末。相應地，SLS技術在成型金屬零件時，主要有三種方式：

a. 單一金屬粉末的燒結

例如鐵粉，先將鐵粉預熱到一定溫度，再用鐳射束掃描、燒結。燒結好的製件經熱等靜壓處理，可使最後零件的相對密度達到99.9%。

b. 金屬混合粉末的燒結

主要是兩種金屬的混合粉末，其中一種粉末具有較低的熔點．另一種粉末的熔點較高。例如青銅粉和鎳粉的混合粉。先將金屬混合粉末預熱到某—溫度．再用鐳射束進行掃描，使低熔點的金屬粉末熔化(如青銅粉)，從而將難熔的鎳粉粘結在一起。燒結好的製件再經液相燒結後處理，可使最後製件的相對密度達到82%。

c. 金屬粉末與有機黏合劑粉末的混合體

將金屬粉末與有機黏合劑粉末按一定比例均勻混合，鐳射束掃描後使有機黏合劑熔化，熔化的有機黏合劑將金屬粉末黏合在一起（如銅料和有機玻璃粉）。燒結好的製件再經高溫後續處理，一方面去除製件中的有機黏合劑，另一方面提高製件的力學強度和耐熱強度。

SLS可使用材料廣泛。可使用的材料包括尼龍、聚苯乙烯等聚合物，鐵、鈦、合金等金屬、陶瓷、覆膜砂等；SLS的成型效率高。由於SLS技術並不完全熔化粉末，而僅是將其燒結，因此製造速度快；SLA的材料利用率高。

未燒結的材料可重複使用，材料浪費少，成本較低；由於未燒結的粉末可以對模型的空腔和懸臂部分起支撐作用，不必另外設計支撐結構，可以直接生產形狀複雜的原型及部件；由於成型材料的多樣化，可以選用不同的成型材料製作不同用途的燒結件，可用於製造原型設計模型、模具母模、精鑄熔模、鑄造型殼和型芯等。

雖然SLS的有點很多，但是SLS的原材料價格及採購維護成本都較高。SLS成型金屬零件的原理是低熔點粉末粘結高熔點粉末，導致製件的孔隙度高，機械效能差，特別是延伸率很低，很少能夠直接應用於金屬功能零件的製造。由於SLS所用的材料差別較大，有時需要比較複雜的輔助工藝，如需要對原料進行長時間的預處理（加熱）、造成完成後需要進行成品表面的粉末清理等。（主要廠商有3DSystem、Stratasys，EOS等）

② SLM：選擇性鐳射熔化技術（Selective Laser Melting, SLM）

SLM: Selective laser melting（選擇性鐳射熔化）。這種技術利用的鐳射能量更大，可以直接融化金屬粉末，所以用它能直接成型出接近完全緻密度、力學效能良好的金屬零件。SLM技術克服了SLS技術製造金屬零件工藝過程複雜的困擾。

在高鐳射能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經散熱冷卻後可實現與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術正是通過此過程，層層累積成型出三維實體的快速成型技術。由於直接融化金屬粉末，所以SLM成型的金屬零件緻密度高，可達90%以上，其抗拉強度等機械效能指標優於鑄件，甚至可達到鍛件水平。顯微維氏硬度可高於鍛件；由於是列印過程中完全融化，因此尺寸精度較高。

與此同時同時，SLM的成型速度較低，爲了提高加工精度，需要用更薄的加工層厚。加工小體積零件所用時間也較長，因此難以應用於大規模製造；由於加工效能高，所以整套裝置昂貴，SLM技術工藝較複雜，需要加支撐結構，考慮的因素多。因此多用於工業級的增材製造。在SLM過程中，金屬瞬間熔化與凝固（冷卻速率約10000K/s），溫度梯度很大，產生極大的殘餘應力，如果基板剛性不足則會導致基板變形。

③ EBM：電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）

電子束熔化是金屬增材製造的另一種方式。過程與SLM非常相似，最大的區別在於能量源，EBM將電子束取代了鐳射。電子束由位於真空室頂部的電子束槍產生。固定電子槍並控制電子束以在整個處理區域內轉向。當燈絲被加熱到一定溫度時，電子從燈絲髮射，燈絲髮射電子。

電子在電場中被加速到光速的一半，然後電子束由兩個磁場控制。第一磁場用作電磁透鏡，其負責將電子束聚焦到所需直徑，然後，第二磁場將聚焦的電子束轉移到工作臺上的所需工作點。由於能夠直接處理複雜的幾何形狀，EBM工藝非常適合小批量複雜零件的直接批量生產。

這個過程使部件定製成為可能，並且針對CAD到金屬過程優化的部件可以使用其他製造技術無法形成的幾何形狀，因此這些部件對於客戶來說具有無與倫比的效能價值。該過程直接使用CAD資料，一步到位，因此速度很快。設計師在完成設計後24小時內獲取所有功能細節。與砂型鑄造或熔模鑄造相比，交貨時間將大大縮短。在生產過程中，EBM和真空技術相結合，實現了高功率和良好的環境，以確保優異的材料效能。

瑞典Arcam是目前全球實現電子束選區熔融技術商業化應用的唯一一家企業。

03

以粉末-粘合劑為基本原理

3DP：三維列印技術

（Three Dimensional Printing）

前面的7種技術，更應該說是增材製造技術，而3DP纔是真正的3D列印！

因為這種技術和平面列印非常相似，連列印頭都是直接用平面印表機的。和SLS類似，這個技術的原料也是粉末狀的。與SLS不同的是材料粉末不是通過燒結連線起來，而是通過噴頭用粘接劑將零件的截面「印刷」在材料粉末上面。

供料時將粉末通過水平壓輥平輔於列印平臺之上將帶有顏色的膠水通過加壓的方式輸送到列印頭中儲存；接下來列印的過程就很像2D的噴墨印表機了，首先系統會根據三維模型的顏色將彩色的膠 水進行混合並選擇性的噴在粉末平面上，粉末遇膠水後會粘結為實體；一層粘結完成後，列印平臺下降，水平壓棍再次將粉末鋪平，然後再開始新一層的粘結，如此的反覆層層列印，直至整個模型粘結完畢；列印完成後，回收未粘結的粉末，吹淨模型表面的粉末，再次將模型用透明膠水浸泡，此時模型就具有了一定的強度。

3DP技術是MIT在90年發明的，Zcorp公司（已被3D Systems收購）、voxeljet是傑出代表。

04

FDM：Fused Deposition Modelling（熔融沉積造型）（主要材料ABS和PLA）

FDM（Fused Deposition Modeling）工藝熔融沉積製造（FDM）工藝由美國學者Scott Crump於1988年研製成功。其具體原理是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓資訊，將材料選擇性地塗敷在工作臺上，快速冷卻後形成一層截面。一層成型完成後，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下 一層，直至形成整個實體造型。

▲原理圖

FMD是一種成本較低的增材製造方式，所用材料比較廉價，不會產生毒氣和化學汙染的危險。但是FDM列印成形後表面粗糙，需後續拋光處理。最高精度只能為0.1mm。由於噴頭做機械運動，速度緩慢，而且同樣需要支撐臺。很多人認為FMD價格低廉，因此在工業應用不高，並且相對初級，但是隨著技術的不斷提高，現在FDM技術同樣能夠製造金屬零件。

目前有兩大類利用FDM技術來生產金屬零件，一種是用FDM技術列印可以用失蠟法鑄造的模具，然後用傳統這鑄造工藝來進行小批量金屬件的生產。還有一類工藝是利用FDM技術結合MIM工藝（金屬注射成形），也就是像Desktop Metal或MarkForged的方案，直接列印金屬注塑材料，然後清洗、燒結，最終產出金屬零件。

05

氣溶膠列印技術

（Aerosolprinting）

Optomec公司的一項專利技術，由於Optomec在金屬油墨和生物物質的經驗豐富，使其直接向3D列印進入微觀領域的目標行進。這個技術主要用在精密儀器、電路板的列印上。

UV固化介質從10-100μm氣溶膠噴射系統分配並且瞬間完成。之後，一個金屬納米粒子油墨以精確的方式被分配/燒結在最近固化的材料，然後重複一遍又一遍，直到結構形成。該過程具有快速材料凝固的特點，它依賴於本地沉積和區域性固化，並且據說可以在空間中達到最高的變形。

06

細胞3D列印

（cellbioprinting）

該技術是快速成型技術和生物製造技術的有機結合，可以解決傳統組織工程難以解決的問題。在生物醫學的基礎和應用研究中有著廣闊的發展前景。

主要以細胞為原材料，複製一些簡單的生命體組織，例如面板、肌肉以及血管等，甚至在未來可以製造人體組織如腎臟、肝臟甚至心臟，用於進行器官移植。2013年，來自蘇格蘭的研究人員利用3D列印技術，首次用人類胚胎幹細胞進行了3D列印。

07

LOM：層壓板製造

Laminated Object Manufacture

LOM,有的也稱LLM：層壓制造技術（Layer Laminate Manufacturing）指的是分層實體成型法，是出現得比較早的3D列印技術之一。這一工藝以紙片、塑料薄膜等片材為原材料，運用二氧化碳鐳射器進行系統切割，並按照計算機提取的橫截面輪廓線資料，用鐳射將背面塗有熱熔膠的紙片材切割出工件的內外輪廓，同時對非零件區域進行交叉切割，以便廢料的去除。

由於傳統的LOM成型工藝的CO2鐳射器成本高、原材料種類過少、紙張的強度偏弱且容易受潮等缺點，現已經逐漸退出3D列印的歷史舞臺！

希望今天的總結對各位學習3D列印技術有幫助，也請各位專家在留言區補充！

本文由「135編輯器」提供技術支援

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