7種主流3D打印技術(shù)解析
魔猴君 知識堂 522天前
有許多外行人認(rèn)為3D打印就是從熱噴嘴中擠出材料并堆疊成形狀，但其實3D打印遠(yuǎn)不止于此！今天魔猴網(wǎng)將介紹七大類3D打印工藝，即使是3D打印小白也能清晰地區(qū)分不同的3D打印過程。
事實上，3D 打印也稱為增材制造，是一個總稱，涵蓋了幾種截然不同的 3D 打印工藝。這些技術(shù)是天壤之別，但關(guān)鍵過程是相同的。例如，所有 3D 打印都從數(shù)字模型開始，因為該技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)字化的。零件或產(chǎn)品最初是使用計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 軟件設(shè)計或從數(shù)字零件庫獲取的電子文件。然后設(shè)計文件通過特殊的構(gòu)建準(zhǔn)備軟件將其分解成切片或?qū)右赃M(jìn)行 3D 打印，生成3D打印機(jī)要遵循的路徑指令。接下來您將了解這些技術(shù)之間的區(qū)別以及每種技術(shù)的典型用途。
為什么是 7 種類型？
增材制造的類型可以根據(jù)它們生產(chǎn)的產(chǎn)品或使用的材料類型來劃分，國際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 將其分為七種一般類型(但這七個3D打印類別也難以涵蓋越來越多的技術(shù)子類型和混合技術(shù))。：
●材料擠出
●還原聚合
●粉床融合
●材料噴射
●粘合劑噴射
●定向能沉積
●片材層壓
一、材料擠出
△材料擠出3D打印
材料擠出顧名思義：材料通過噴嘴擠出。通常情況下，這種材料是一種塑料細(xì)絲，通過一個加熱的噴嘴進(jìn)行熔化和擠出。打印機(jī)沿著通過軟件得到的工藝路徑將材料放置在構(gòu)建平臺上。然后燈絲冷卻并凝固形成固體物體。這是最常見的 3D 打印形式。乍一看這聽起來很簡單，但考慮到擠出的材料，包括塑料、金屬、混凝土、生物凝膠和各種食品，這其實是一個非常廣泛的類別。這種類型的 3D 打印機(jī)價格從100美元到七位數(shù)不等。
●材料擠出的子類型：熔融沉積建模 (FDM)、建筑 3D 打印、微型 3D 打印、生物 3D 打印
●材料：塑料、金屬、食品、混凝土等
●尺寸精度： ±0.5%（下限±0.5mm）
●常見應(yīng)用：原型、電氣外殼、形狀和配合測試、夾具和夾具、熔模鑄造模型、房屋等。
●優(yōu)勢：成本最低的 3D 打印方法，材料范圍廣
●缺點(diǎn)：通常材料性能較低（強(qiáng)度、耐用性等），通常尺寸精度不高
1.熔融沉積成型 (FDM)
△FDM 零件可以在各種 3D 打印機(jī)上用金屬或塑料制成
FDM 3D 打印機(jī)是一個價值數(shù)十億美元的市場，擁有數(shù)以千計的機(jī)器，從基本型號到制造商的復(fù)雜型號。FDM機(jī)器被稱為熔絲制造 (FFF)，這是完全相同的技術(shù)。與所有 3D 打印技術(shù)一樣，F(xiàn)DM 從數(shù)字模型開始，然后將其轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可以遵循的路徑。使用 FDM，將線軸上的一根（或一次幾根）燈絲裝入 3D 打印機(jī)，然后送入擠出頭中的打印機(jī)噴嘴。打印機(jī)噴嘴或多個噴嘴被加熱到所需溫度，使燈絲軟化，從而使連續(xù)的層連接起來形成一個堅固的部件。
當(dāng)打印機(jī)沿 XY 平面上的指定坐標(biāo)移動擠出頭時，它會繼續(xù)鋪設(shè)第一層。然后擠出頭上升到下一個高度（Z 平面），重復(fù)打印橫截面的過程，一層一層地構(gòu)建，直到物體完全成型。根據(jù)對象的幾何形狀，有時需要添加支撐結(jié)構(gòu)以在打印時支撐模型，例如，如果模型具有陡峭的懸垂部分。這些支撐在打印后被移除。一些支撐結(jié)構(gòu)材料可以溶解在水或另一種溶液中。
△FDM 3D 打印機(jī)為業(yè)余愛好者、小型企業(yè)和制造商提供范圍廣泛的機(jī)器（來源：Creality、Raise3D、Stratasys）
2.3D生物打印
△3D 生物打印與傳統(tǒng) 3D 打印類似，但原料差異很大
3D 生物打印或生物 3D 打印是一種增材制造工藝，其中將有機(jī)或生物材料（例如活細(xì)胞和營養(yǎng)素）結(jié)合起來以創(chuàng)建類似組織的天然三維結(jié)構(gòu)。換句話說，生物打印是一種3D打印，可以生產(chǎn)從骨骼組織和血管到活組織的任何東西。它用于各種醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用，包括組織工程、藥物測試和開發(fā)，以及創(chuàng)新的再生醫(yī)學(xué)療法。3D 生物打印的實際定義仍在不斷發(fā)展。從本質(zhì)上講，3D 生物打印的工作原理與 FDM 3D 打印類似，并且屬于材料擠出系列。（盡管擠出并不是唯一的生物打印方法）
3D 生物打印使用從針排出的材料(生物墨水)來創(chuàng)建打印層。這些被稱為生物墨水的材料主要由活物質(zhì)組成，例如載體材料中的細(xì)胞——如膠原蛋白、明膠、透明質(zhì)酸、蠶絲、海藻酸鹽或納米纖維素，充當(dāng)結(jié)構(gòu)生長和營養(yǎng)物質(zhì)的分子支架，提供支持。
3.建筑 3D 打印
△建筑 3D 打印
建筑 3D 打印是一個快速發(fā)展的材料擠出領(lǐng)域。該技術(shù)涉及使用超大型 3D 打印機(jī)（通常高達(dá)數(shù)十米）從噴嘴中擠出混凝土等建筑材料。這些機(jī)器通常以龍門架或機(jī)械臂系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。3D建筑打印技術(shù)如今用于住宅、建筑特色以及從水井到墻壁的建筑項目。有研究者表示，它有可能顯著改變整個建筑行業(yè)，因為它減少了勞動力需求并減少了建筑垃圾。
美國和歐洲有數(shù)十座 3D 打印房屋，并且正在研究開發(fā) 3D 建筑技術(shù)，該技術(shù)將使用在月球和火星上發(fā)現(xiàn)的材料為未來的探險隊建造棲息地。用當(dāng)?shù)赝寥来婊炷链蛴∽鳛橐环N更可持續(xù)的建筑方法也受到關(guān)注。
二、還原聚合
△使用激光的還原聚合
桶聚合（也稱為樹脂 3D 打?。┦且幌盗?3D 打印工藝，它使用光源在桶中選擇性地固化（或硬化）光敏聚合物樹脂。換句話說，光線精確地指向液體塑料的特定點(diǎn)或區(qū)域以使其硬化。第一層固化后，構(gòu)建平臺將向上或向下移動（取決于打印機(jī)）少量（通常在 0.01 和 0.05 毫米之間），下一層固化，與前一層連接。逐層重復(fù)此過程，直到形成 3D 部件。3D 打印過程完成后，清潔物體以去除剩余的液態(tài)樹脂并進(jìn)行后固化（在陽光下或紫外線室中）以增強(qiáng)部件的機(jī)械性能。
三種最常見的桶聚合形式是立體光刻 (SLA)、數(shù)字光處理 (DLP)和液晶顯示器 (LCD)，也稱為掩模立體光刻 (MSLA)。這些類型的 3D 打印技術(shù)之間的根本區(qū)別在于光源及其用于固化樹脂的方式。
△大桶聚合利用光逐層硬化光敏樹脂
一些 3D 打印機(jī)制造商，尤其是那些制造專業(yè)級 3D 打印機(jī)的制造商，已經(jīng)開發(fā)出獨(dú)特且獲得專利的 光聚合變體，因此您可能會在市場上看到不同的技術(shù)名稱。一家工業(yè) 3D 打印機(jī)制造商 Carbon 使用一種稱為數(shù)字光合成(DLS) 的桶聚合技術(shù)，Stratasys 的 Origin 稱其技術(shù)為可編程光聚合(P3)，F(xiàn)ormlabs 提供其稱為低力立體光刻(LFS) 的技術(shù)，而 Azul 3D 是第一個將大面積快速打印(HARP) 形式的大桶聚合商業(yè)化。還有基于光刻的金屬制造 (LMM)、投影微立體光刻(PμSL) 和數(shù)字復(fù)合材料制造(DCM)，這是一種填充光聚合物技術(shù)，可將功能性添加劑（例如金屬和陶瓷纖維）引入液體樹脂中。
●3D 打印技術(shù)的類型：立體光刻 (SLA)、液晶顯示器 (LCD)、數(shù)字光處理 (DLP)、微立體光刻 (μSLA) 等。
●材料：光聚合物樹脂（可澆注、透明、工業(yè)、生物相容性等）
●尺寸精度： ±0.5%（下限為 ±0.15 毫米或 5 納米，使用 μSLA）
●常見應(yīng)用：注塑模狀聚合物原型和最終用途部件、珠寶鑄造、牙科應(yīng)用、消費(fèi)品
●優(yōu)勢：光滑的表面光潔度，精細(xì)的特征細(xì)節(jié)
1.立體光刻 (SLA)
△立體光刻 (SLA)來自 3D Systems、DWS 和 Formlabs 的 SLA 3D 打印示例
SLA是世界上第一個3D打印技術(shù)。立體光刻技術(shù)由查克·赫爾 (Chuck Hull) 于 1986 年發(fā)明，他為該技術(shù)申請了專利，并成立了 3D Systems 公司以將其商業(yè)化。如今，該技術(shù)可供來自眾多 3D 打印機(jī)制造商的愛好者和專業(yè)人士使用。SLA使用激激光束對準(zhǔn)一桶樹脂，選擇性地固化打印區(qū)域內(nèi)物體的橫截面，逐層建造。當(dāng)大多數(shù) SLA 打印機(jī)使用固態(tài)激光來固化部件。這種桶聚合的一個缺點(diǎn)是，與我們的下一種方法 (DLP) 相比，點(diǎn)激光可能需要更長的時間來追蹤物體的橫截面，后者會閃爍光線以立即硬化整個層。然而，激光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光，這是某些工程級樹脂所需要的。
△SLA 3D 打印機(jī)使用一個或多個激光一次追蹤和固化單層樹脂
微立體光刻 (μSLA)
微立體光刻技術(shù)可以打印微型部件，分辨率在 2 微米 (μm) 到 50 微米之間。作為參考，人類頭發(fā)的平均寬度為 75 微米。它是“微型 3D 打印”技術(shù)之一。μSLA 涉及將感光材料（液態(tài)樹脂）暴露在紫外激光下。不同之處在于專用樹脂、激光的復(fù)雜性以及透鏡的添加，它們會產(chǎn)生幾乎令人難以置信的小光點(diǎn)。
△Nanoscribe 和 Microlight3D 是 TPP 3D 打印機(jī)的兩家領(lǐng)先制造商（來源：Nanoscribe、Microlight3D）
雙光子聚合 (TPP)
另一種微型3D打印技術(shù)TPP（也稱為2PP）可以歸為SLA，因為它也使用激光和光敏樹脂，它可以打印比 μSLA 更小的部件，小至 0.1 微米。TPP使用脈沖飛秒激光聚焦到一大桶特殊樹脂中的一個狹窄點(diǎn)。然后使用該點(diǎn)固化樹脂中的單個3D像素，也稱為體素。通過在預(yù)定義的路徑中逐層依次固化這些納米級到微米級的小體素。TPP 目前用于研究、醫(yī)療應(yīng)用和微型零件的制造，例如微型電極和光學(xué)傳感器。
△微型 3D 打印：TPP 技術(shù)
2.數(shù)字光處理 (DLP)
△Anycubic、Carbon 和 ETEC 的 DLP 3D 打印部件
DLP 3D 打印使用數(shù)字光投射器（而不是激光）在一層或樹脂上同時閃爍每一層的單個圖像（或為較大的部件多次曝光）。DLP（比 SLA 更常見）用于在單個批次中生產(chǎn)更大的零件或更大體積的零件，因為無論構(gòu)建中有多少零件，每一層曝光都需要完全相同的時間，比SLA 中的點(diǎn)激光方法效率更高。每一層的圖像都由正方形像素組成，導(dǎo)致一層由稱為體素的小矩形塊形成。使用發(fā)光二極管 (LED) 屏幕或 UV 光源（燈）將光投射到樹脂上，并通過數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD) 將光投射到構(gòu)建表面。
△數(shù)字光處理 (DLP) 樹脂 3D 打印機(jī)有從業(yè)余愛好版本也有完整的制造生產(chǎn)機(jī)器
現(xiàn)代 DLP 投影儀通常有數(shù)千個微米大小的 LED 作為光源。它們的開關(guān)狀態(tài)是單獨(dú)控制的，可以提高 XY 分辨率。并不是所有的 DLP 3D 打印機(jī)都是一樣的，光源的功率、它通過的鏡頭、DMD 的質(zhì)量以及構(gòu)成一臺價值 300 美元的機(jī)器的許多其他零部件都有很大的不同與超過 200,000 美元的機(jī)器相比。
自上而下的 DLP
一些 DLP 3D 打印機(jī)的光源安裝在打印機(jī)的頂部，向下照射到樹脂桶上，而不是向上照射。這些“自上而下”的機(jī)器從頂部閃現(xiàn)一層圖像，一次固化一層，然后將固化層放回大桶中。每次降低構(gòu)建板時，安裝在大桶頂部的重涂機(jī)都會在樹脂上來回移動以整平新層。制造商表示，由于打印過程不會對抗重力，因此這種方法可以為較大的打印件產(chǎn)生更穩(wěn)定的零件輸出。自下而上打印時，可以從構(gòu)建板上垂直懸掛多少重量是有限制的。樹脂桶還在打印時支撐打印件，減少了對支撐結(jié)構(gòu)的需求。
△BMF 的 MicroArch S230 可以打印小至 2 微米的聚合物或陶瓷的詳細(xì)部件（來源：BMF）
投影微立體光刻 (PμSL)
作為一種獨(dú)特類型的桶聚合本身，將PμSL 歸為 DLP 的子類別。這是另一種微型3D打印技術(shù)。PμSL 使用來自投影儀的紫外線來固化微米級（2 微米分辨率和低至 5 微米層高）的特殊配方樹脂層。這種增材制造技術(shù)因其低成本、準(zhǔn)確性、速度以及可使用的材料范圍（包括聚合物、生物材料和陶瓷）而不斷發(fā)展。它已顯示出從微流體和組織工程到微光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)微型設(shè)備的應(yīng)用潛力。
基于光刻的金屬制造 (LMM)
這是DLP的另一個”遠(yuǎn)親“，這種使用光和樹脂進(jìn)行3D打印的方法可以為手術(shù)工具和微機(jī)械零件等應(yīng)用創(chuàng)建微小的金屬零件。在 LMM 中，金屬粉末均勻分散在光敏樹脂中，然后通過投影儀用藍(lán)光曝光進(jìn)行選擇性聚合。打印后，素坯部件的聚合物成分被去除，留下全金屬的脫脂部件，這些部件在熔爐中的燒結(jié)過程中完成。原料包括不銹鋼、鈦、鎢、黃銅、銅、銀和金。
△使用 LMM 技術(shù)在 Incus 3D 打印上制作的微型金屬 3d 打印部件
3.液晶顯示器 (LCD)
△來自 Elegoo、Photocentric 和 Nexa3D 的 LCD 3D 打印部件。
液晶顯示器 (LCD)，也稱為掩模立體光刻 (MSLA)，與上述 DLP 非常相似，不同之處在于它使用 LCD 屏幕而不是數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD)，這對 3D 打印機(jī)的價格有顯著影響。與 DLP 一樣，LCD 光掩模是數(shù)字顯示的，由方形像素組成。LCD 光掩模的像素大小決定了打印的粒度。因此，XY 精度是固定的，不依賴于鏡頭的變焦或縮放程度，就像 DLP 的情況一樣。DLP 的打印機(jī)和 LCD 技術(shù)之間的另一個區(qū)別是，后者使用數(shù)百個單獨(dú)發(fā)射器的陣列，而不是像激光二極管或 DLP 燈泡那樣的單點(diǎn)發(fā)射光源。
△如今，LCD 樹脂 3D 打印技術(shù)正在從消費(fèi)機(jī)器轉(zhuǎn)向工業(yè)機(jī)器
與 DLP 類似，LCD 在某些條件下可以實現(xiàn)比 SLA 更快的打印時間。這是因為整個層一次曝光，而不是用激光點(diǎn)追蹤橫截面積。由于 LCD 單元成本低，這項技術(shù)已成為低價桌面樹脂打印機(jī)領(lǐng)域的首選技術(shù)，但這并不意味著它沒有得到專業(yè)使用，一些工業(yè) 3D 打印機(jī)制造商正在突破技術(shù)極限并取得令人矚目的成果。
三、粉床融合
△粉末床融合
粉末床融合 (PBF) 是一種3D打印工藝，其中熱能源選擇性地熔化構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的粉末顆粒（塑料、金屬或陶瓷），以逐層創(chuàng)建固體物體。粉末床融合 3D 打印機(jī)在打印床上散布一層薄薄的粉末材料，通常使用一種刀片、滾筒或擦拭器。來自激光的能量融合粉末層上的特定點(diǎn)，然后沉積另一個粉末層并融合到前一層。重復(fù)該過程，直到制造出整個物體，最終產(chǎn)品由未融合的粉末包裹和支撐。
△金屬激光粉末床熔合工藝
PBF 可以制造具有高機(jī)械性能（包括強(qiáng)度、耐磨性和耐用性）的部件，用于消費(fèi)品、機(jī)械和工具的最終用途。該細(xì)分市場中的3D打印機(jī)越來越便宜（起價在 25,000 美元左右），但它被認(rèn)為是一種工業(yè)技術(shù)。
●3D打印技術(shù)的種類：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光粉末床熔化（LPBF）、電子束熔化（EBM）
●材料：塑料粉末、金屬粉末、陶瓷粉末
●尺寸精度： ±0.3%（下限±0.3mm）
●常見應(yīng)用：功能部件、復(fù)雜管道（空心設(shè)計）、小批量部件生產(chǎn)
●優(yōu)勢：功能部件、出色的機(jī)械性能、復(fù)雜的幾何形狀
●缺點(diǎn)：機(jī)器成本較高，通常是高成本材料，建造速度較慢
1.選擇性激光燒結(jié) (SLS)
△Sinterit 的 SLS 3D 打印部件
選擇性激光燒結(jié) (SLS) 使用激光從塑料粉末中制造物體。首先，將一箱聚合物粉末加熱到剛好低于聚合物熔點(diǎn)的溫度。然后使用重涂刀片或擦拭器將一層非常薄的粉末材料（通常為 0.1 毫米厚）沉積到構(gòu)建平臺上。激光開始根據(jù)數(shù)字模型中布置的圖案掃描表面。激光選擇性地?zé)Y(jié)粉末并凝固物體的橫截面。當(dāng)掃描整個橫截面時，構(gòu)建平臺在高度上向下移動一層厚度。重涂刀片在最近掃描的層上沉積一層新的粉末，激光將物體的下一個橫截面燒結(jié)到先前固化的橫截面上。
△可以手動或自動對 SLS 3D 打印部件進(jìn)行除粉和清潔
重復(fù)這些步驟，直到制造出所有物體。未燒結(jié)的粉末保留在原位以支撐物體，這減少或消除了對支撐結(jié)構(gòu)的需要。從粉末床中取出零件并進(jìn)行清潔后，無需其他必要的后處理步驟。零件可以拋光、涂層或著色。SLS 3D 打印機(jī)之間有許多差異化因素，不僅包括它們的尺寸，還包括激光的功率和數(shù)量、激光的光斑大小、加熱床的時間和方式以及粉末的分布方式等。SLS 3D 打印中最常見的材料是尼龍（PA6、PA12），但也可以使用 TPU 和其他材料打印出柔韌的部件。
△SLS 3D 打印機(jī)使用聚合物粉末和激光來形成固體零部件
2.微選擇性激光燒結(jié) (μSLS)
μSLS 屬于 SLS 或下文所述的激光粉末床融合 (LPBF)的技術(shù)。它使用激光來燒結(jié)粉末狀材料，例如 SLS，但這種材料通常是金屬而不是塑料，因此它更像是 LPBF。它是另一種微型 3D 打印技術(shù)，可以以微型（低于 5 μm）的分辨率創(chuàng)建零件。
△來自 3D MicroPrint 的金屬 3D 微打印
在 μSLS 中，將一層金屬納米顆粒墨水涂在基材上，然后干燥以產(chǎn)生均勻的納米顆粒層。接下來，使用數(shù)字微鏡陣列圖案化的激光用于加熱納米粒子并將其燒結(jié)成所需的圖案。然后重復(fù)這組步驟以在 μSLS 系統(tǒng)中構(gòu)建 3D 部件的每一層。
3.激光粉末床融合 (LPBF)
△顯示 SLM 精度的 Xact Metal 測試件（來源：Xact Metal）
在所有 3D 打印技術(shù)中，這一項的別名最多。這種金屬 3D 打印方法的正式名稱為激光粉末床熔化 (LPBF)，也被廣泛稱為直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 和選擇性激光熔化 (SLM)。在這項技術(shù)發(fā)展的早期，機(jī)器制造商為相同的過程創(chuàng)建了自己的名稱，這些名稱一直沿用至今。特別指出，上述這三個術(shù)語指的是同一過程，即使某些機(jī)械細(xì)節(jié)有所不同。
作為粉末床融合的一種子類型，LPBF 使用一個金屬粉末床和一個或多個（最多 12 個）高功率激光器。LPBF 3D 打印機(jī)使用激光在分子基礎(chǔ)上逐層選擇性地將金屬粉末融合在一起，直到模型完成。LPBF是一種高度精確的 3D 打印方法，通常用于為航空航天、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建復(fù)雜的金屬零件。
△Sandvik 的 LPBF 金屬 3D 打印
與 SLS 一樣，LPBF 3D 打印機(jī)從分成切片的數(shù)字模型開始。打印機(jī)將粉末裝入構(gòu)建室，然后用刮刀（如擋風(fēng)玻璃刮水器）或滾筒將其在構(gòu)建板上鋪成薄層。激光將層追蹤到粉末上。然后構(gòu)建平臺向下移動，再涂上一層粉末并與第一層融合，直到構(gòu)建出整個物體。構(gòu)建室是封閉的、密封的，并且在許多情況下充滿了惰性氣體，例如氮?dú)饣驓鍤饣旌衔铮源_保金屬在熔化過程中不會氧化，并有助于清除熔化過程中的碎屑。打印后，零件從粉末床中取出、清洗，并經(jīng)常進(jìn)行二次熱處理以消除應(yīng)力。剩余的粉末被回收再利用。
LPBF 3D 打印機(jī)的差異化因素包括激光器的類型、強(qiáng)度和數(shù)量。小型緊湊型 LPBF 打印機(jī)可能有一個 30 瓦的激光器，而工業(yè)版本可能有 12 個 1,000 瓦的激光器。LPBF 機(jī)器使用常見的工程合金，例如不銹鋼、鎳高溫合金和鈦合金。有數(shù)十種金屬可用于 LPBF 工藝。
△來自 One Click Metal、Farsoon、Kurtz Ersa 的 LPBF 3D 打印機(jī)。
3.電子束熔煉 (EBM)
△電子束熔化 (EBM)
EBM，也稱為電子束粉末床熔合 (EB PBF)，是一種類似于 LPBF 的金屬 3D 打印方法，但使用電子束而不是光纖激光器。該技術(shù)用于制造零件，例如鈦骨科植入物、噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪葉片和銅線圈。
電子束產(chǎn)生更多的能量和熱量，這是某些金屬和應(yīng)用所需要的。而且EBM 不是惰性氣體環(huán)境，而是在真空室中進(jìn)行，以防止光束散射。構(gòu)建室溫度最高可達(dá) 1,000 °C，在某些情況下甚至更高。因為電子束使用電磁束控制，所以它的移動速度比激光快，甚至可以分開以同時曝光多個區(qū)域。
△來自 JEOL、GE Additive 和 Wayland Additive 的電子束熔化 (EBM) 金屬 3D 打印機(jī)。
EBM 優(yōu)于 LPBF 的優(yōu)勢之一是它能夠處理導(dǎo)電材料和反射金屬，例如銅。EBM 的另一個特點(diǎn)是能夠在構(gòu)建室中將單獨(dú)的部件相互嵌套或堆疊，因為它們不一定必須連接到構(gòu)建板上，這大大增加了體積輸出。與激光相比，電子束通常會產(chǎn)生更大的層厚度和更粗糙的表面特征。由于構(gòu)建室中的高溫，EBM 打印部件可能不需要通過打印后熱處理來消除應(yīng)力。
四、材料噴射
△材料噴射
材料噴射是一種 3D 打印工藝，其中微小的材料液滴被沉積，然后在構(gòu)建板上固化或固化。使用暴露在光線下會固化的光敏聚合物或蠟滴，一次一層地構(gòu)建物體。材料噴射過程的性質(zhì)允許在同一物體上打印不同的材料。這種技術(shù)的一個應(yīng)用是制造多種顏色和紋理的零件。
●3D 打印技術(shù)的類型：材料噴射 (MJ)、納米粒子噴射 (NPJ)
●材料：光敏樹脂（標(biāo)準(zhǔn)、澆注、透明、耐高溫）、蠟
●尺寸精度： ±0.1 mm
●常見應(yīng)用：全彩產(chǎn)品原型、類似注塑模具的原型、低運(yùn)行注塑模具、醫(yī)療模型、時裝
●優(yōu)勢：帶紋理的表面光潔度、全彩和多種材料可用
●缺點(diǎn)：材料有限，不適合要求精密的機(jī)械零件，成本高于用于視覺目的的其他樹脂技術(shù)
1.材料噴射 (M-Jet)
△Stratasys 的材料噴射 3D 打印部件
聚合物的材料噴射 (M-Jet) 是一種 3D 打印工藝，其中一層光敏樹脂被選擇性地沉積到構(gòu)建板上并用紫外線 (UV) 光固化。在一層沉積和固化后，構(gòu)建平臺降低一層厚度，重復(fù)該過程以構(gòu)建 3D 對象。M-Jet 將樹脂 3D 打印的高精度與線材 3D 打印 (FDM) 的速度相結(jié)合，以創(chuàng)建具有逼真的顏色和紋理的零件和原型。
所有材料噴射3D打印技術(shù)都不完全相同。打印機(jī)制造商和專有材料之間存在差異。M-Jet 機(jī)器以逐行方式從多排打印頭沉積構(gòu)建材料。這種方法使打印機(jī)能夠在不影響構(gòu)建速度的情況下在一條線上制造多個對象。只要模型在構(gòu)建平臺上正確排列，并優(yōu)化每條構(gòu)建線內(nèi)的空間，M-Jet 就可以比許多其他類型的樹脂 3D 打印機(jī)更快地生產(chǎn)零件。
△來自 Stratasys、DP Polar / 3D Systems 和 Mimaki 的材料噴射 3D 打印機(jī)
用 M-Jet 制造的物體需要支撐，它在構(gòu)建過程中由可溶解材料同時打印，該材料在后處理階段被去除。M-Jet 是為數(shù)不多的 3D 打印技術(shù)之一，可提供由多材料打印和全彩色制成的物體。材料噴射機(jī)沒有愛好者版本，這些機(jī)器更適用于汽車制造商、工業(yè)設(shè)計公司、藝術(shù)工作室、醫(yī)院和所有類型的產(chǎn)品制造商的專業(yè)人士，他們希望創(chuàng)建準(zhǔn)確的原型來測試概念并更快地將產(chǎn)品推向市場。與桶聚合技術(shù)不同，M-Jet 不需要后固化，因為打印機(jī)中的紫外線會完全固化每一層。
氣溶膠射流
Aerosol Jet 是一家名為 Optomec 的公司開發(fā)的一項獨(dú)特技術(shù)，主要用于 3D 打印電子產(chǎn)品。電阻器、電容器、天線、傳感器和薄膜晶體管等組件均采用氣溶膠噴射技術(shù)打印。它可以粗略地比作噴漆，但它與工業(yè)涂層工藝的區(qū)別在于它可以用于打印完整的 3D 物體。
將電子墨水放入霧化器中，霧化器會產(chǎn)生直徑在 1 至 5 微米之間的液滴。然后氣溶膠霧被輸送到沉積頭，被鞘氣聚焦，從而產(chǎn)生高速粒子噴霧。由于整個過程使用了能量，該技術(shù)有時也被稱為定向能量沉積，但由于材料在這種情況下呈液滴狀，因此我們將其包含在材料噴射中。
塑料自由成型
德國公司 Arburg 創(chuàng)造了一種稱為塑料自由成型 (APF) 的技術(shù)，它是擠出技術(shù)和材料噴射技術(shù)的結(jié)合。它使用市售的塑料顆粒，這些塑料顆粒在注塑成型過程中熔化并移至卸料單元。高頻噴嘴關(guān)閉產(chǎn)生每秒多達(dá) 200 個直徑在 0.2 至 0.4 毫米之間的塑料小液滴的快速打開和關(guān)閉運(yùn)動。液滴在冷卻時與硬化材料結(jié)合。一般來說，不需要后期處理。如果使用了支撐材料，則必須將其移除。
2.納米粒子噴射 (NPJ)
△使用納米粒子噴射技術(shù)和 XJet 3D 打印機(jī)創(chuàng)建的金屬部件
NanoParticle Jetting (NPJ) 是為數(shù)不多的難以歸類的專有技術(shù)之一，由一家名為 XJet 的公司開發(fā)，它使用帶有數(shù)千個噴墨噴嘴的打印頭陣列，可同時將數(shù)百萬個超細(xì)材料滴噴射到超薄層的構(gòu)建托盤上，同時同時噴射支撐材料。金屬或陶瓷顆粒懸浮在液體中。該過程在高溫下發(fā)生，噴射時液體蒸發(fā)，大部分只留下金屬或陶瓷材料。生成的 3D 部件僅殘留少量粘合劑，這些粘合劑在燒結(jié)后處理中被去除。
五、粘合劑噴射
△粘合劑噴射
粘合劑噴射是一種 3D 打印工藝，其中液體粘合劑選擇性地粘合一層粉末的區(qū)域。該技術(shù)類型兼有粉末床熔合和材料噴射的特點(diǎn)。與 PBF 類似，粘合劑噴射使用粉末材料（金屬、塑料、陶瓷、木材、糖等），并且與材料噴射一樣，液體粘合劑聚合物從噴墨器沉積。無論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，粘合劑噴射過程都是相同的。
首先，重涂刀片在構(gòu)建平臺上涂抹一層薄薄的粉末。然后，帶有噴墨噴嘴的打印頭在床上方經(jīng)過，選擇性地沉積粘合劑液滴以將粉末顆粒粘合在一起。層完成后，構(gòu)建平臺向下移動，刀片重新涂覆表面。然后重復(fù)該過程，直到整個部分完成。
粘合劑噴射的獨(dú)特之處在于打印過程中沒有熱量。粘合劑充當(dāng)將聚合物粉末粘合在一起的膠水。打印后，零件被包裹在未使用的粉末中，通常會留下來固化。然后將零件從粉末倉中取出，收集多余的粉末并可重復(fù)使用。從這里開始，根據(jù)材料的不同，需要進(jìn)行后處理，但沙子除外，沙子通?？梢灾苯訌拇蛴C(jī)中用作型芯或模具。當(dāng)粉末是金屬或陶瓷時，涉及加熱的后處理會熔化掉粘合劑，只留下金屬。塑料零件后處理通常包括涂層以改善表面光潔度。您還可以拋光、涂漆和打磨聚合物粘合劑噴射部件。
粘合劑噴射速度快且生產(chǎn)率高，因此與其他 AM 方法相比，它可以更經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)大量零件。金屬粘合劑噴射可用于多種金屬，在最終用途消費(fèi)品、工具和批量備件中很受歡迎。然而，聚合物粘合劑噴射的材料選擇有限，并且生產(chǎn)的部件結(jié)構(gòu)性能較低。它的價值在于能夠制作全彩原型和模型。
●3D打印技術(shù)的子類型：金屬粘合劑噴射、聚合物粘合劑噴射、砂粘合劑噴射
●材料：沙子、聚合物、金屬、陶瓷等。
●尺寸精度： ±0.2 毫米（金屬）或±0.3 毫米（沙子）
●常見應(yīng)用：功能性金屬零件、全彩模型、砂鑄件和模具
●優(yōu)勢：低成本、大構(gòu)建體積、功能性金屬部件、出色的色彩再現(xiàn)、快速打印速度、無支撐設(shè)計靈活性
●缺點(diǎn)：對金屬來說是一個多步驟的過程，聚合物部件不耐用
1.金屬粘合劑噴射
△惠普使用金屬噴射技術(shù)的不銹鋼 3D 打印部件
Binder Jetting 還可用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的固體金屬物體，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)制造技術(shù)的能力。金屬粘合劑噴射是一種非常有吸引力的技術(shù)，可用于批量生產(chǎn)金屬零件并實現(xiàn)輕量化。由于粘合劑噴射可以打印具有復(fù)雜圖案填充而不是實體的零件，因此所得零件的重量大大減輕，但強(qiáng)度卻保持不變。粘合劑噴射的孔隙率特征也可用于實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用的較輕端部件，例如植入物。
總的來說，金屬粘結(jié)劑噴射零件的材料性能與金屬注射成型生產(chǎn)的金屬零件相當(dāng)，是金屬零件批量生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的制造方法之一。此外，粘合劑噴射部件表現(xiàn)出更高的表面光滑度，尤其是在內(nèi)部通道中。
△金屬粘合劑噴射 3D 打印機(jī)為最終用途應(yīng)用生產(chǎn)精細(xì)精細(xì)的固體金屬部件
金屬粘合劑噴射部件需要在打印后進(jìn)行二次加工才能獲得良好的機(jī)械性能。剛從打印機(jī)出來，零件基本上由用聚合物粘合劑粘合在一起的金屬顆粒組成。這些所謂的“素坯部件”很脆弱，無法按原樣使用。打印零件從金屬粉末床中取出（稱為脫粉的過程）后，它們將在爐中進(jìn)行熱處理（稱為燒結(jié)的過程）。打印參數(shù)和燒結(jié)參數(shù)都針對特定部件的幾何形狀、材料和所需密度進(jìn)行了調(diào)整。有時使用青銅或其他金屬來滲透粘合劑噴射部件中的空隙，從而實現(xiàn)零孔隙率。
2.塑料粘合劑噴射
△塑料粘合劑噴射
塑料粘合劑噴射是一種與金屬粘合劑噴射非常相似的工藝，因為它也使用粉末和液體粘合劑，但應(yīng)用卻大不相同。打印完成后，塑料部件會從其粉末床中取出并進(jìn)行清潔，通常無需進(jìn)一步處理即可使用，但這些部件缺乏 3D 打印工藝中的強(qiáng)度和耐用性。塑料粘合劑噴射部件可以填充另一種材料以提高強(qiáng)度。使用聚合物進(jìn)行粘合劑噴射因其能夠生產(chǎn)用于醫(yī)學(xué)建模和產(chǎn)品原型的多色部件。
3.砂粘合劑噴射
△砂粘合劑噴射
砂粘合劑噴射與塑料粘合劑噴射在打印機(jī)和打印流程上有所不同，所以這里將其進(jìn)行區(qū)分。生產(chǎn)大型砂鑄模具、模型和型芯是粘合劑噴射技術(shù)最常見的用途之一。該工藝的低成本和速度使其成為鑄造廠的絕佳解決方案，因為使用傳統(tǒng)技術(shù)很難在幾小時內(nèi)生產(chǎn)精細(xì)圖案設(shè)計。
工業(yè)發(fā)展的未來不斷對代工廠和供應(yīng)商提出高要求。沙子3D打印正處于其潛力的開端。打印后，打印人員需要將型芯和模具從構(gòu)建區(qū)域移除并清潔以去除任何松散的沙子。模具通常可以立即準(zhǔn)備好進(jìn)行鑄造。鑄造后，模具被拆開，最終的金屬部件被移除。
4.多射流融合 (MJF)
△巴斯夫和惠普合作為 MJF 開發(fā)了一種新型工業(yè)級聚丙烯
另一種獨(dú)特且品牌特定的 3D 打印工藝不容易歸入任何現(xiàn)有類別，實際上也不是粘合劑噴射，這就是HP 的Multi Jet Fusion。MJF 是一種聚合物 3D 打印技術(shù)，使用粉末材料、液體融合材料和細(xì)化劑。它不被認(rèn)為是粘合劑噴射的原因是在這個過程中增加了熱量，這會產(chǎn)生強(qiáng)度和耐用性更高的部件，而且液體并不完全是粘合劑。該過程的名稱來源于執(zhí)行打印過程的多個噴墨頭。
在 Multi Jet Fusion 打印過程中，打印機(jī)在打印床上鋪設(shè)一層材料粉末，通常是尼龍。在此之后，噴墨頭穿過粉末并將熔化劑和細(xì)化劑沉積在其上。然后紅外線加熱裝置在打印品上移動。無論在何處添加助熔劑，下層都會熔化在一起，而帶有細(xì)化劑的區(qū)域仍保持粉末狀。粉狀部分脫落，產(chǎn)生所需的幾何形狀。這也消除了對建模支持的需要，因為下層支持打印在它們上面的層。為了完成打印過程，整個粉末床以及其中的打印部件被移動到一個單獨(dú)的處理站，大部分松散的未熔融粉末被抽真空，可以重復(fù)使用。
Multi Jet Fusion 是一種多功能技術(shù)，已在汽車、醫(yī)療保健和消費(fèi)品等多個行業(yè)中得到應(yīng)用。
△HP Jet Fusion 5200 系列是 HP Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)的多種尺寸和樣式之一（來源：惠普）
六、粉末定向能量沉積
定向能量沉積 (DED) 是一種 3D 打印工藝，金屬材料在沉積的同時被強(qiáng)大的能量供給和熔化。這是最廣泛的 3D 打印類別之一，包含許多子類別，具體取決于材料的形式（線材或粉末）和能量類型（激光、電子束、電弧、超音速、熱量等）。 從本質(zhì)上講，與焊接有很多共同點(diǎn)。
該技術(shù)用于逐層打印，通常隨后進(jìn)行 CNC 加工，以實現(xiàn)更嚴(yán)格的公差。DED 與 CNC 的結(jié)合使用非常普遍，有一種稱為混合 3D 打印的 3D 打印子類型，在同一臺機(jī)器中包含 DED 和 CNC 單元的混合 3D 打印機(jī)。該技術(shù)被認(rèn)為是一種更快、更便宜的小批量金屬鑄件和鍛造件的替代品，以及用于海上石油和天然氣行業(yè)以及航空航天、發(fā)電和公用事業(yè)行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵維修。
△DED 金屬 3D 打印技術(shù)可以快速創(chuàng)建一個堅固的金屬部件，然后可以加工到嚴(yán)格的公差
●定向能量沉積的子類型：粉末激光能量沉積、線弧增材制造 (WAAM)、線電子束能量沉積、冷噴涂
●材料：各種金屬，線材和粉末形式
●尺寸精度： ±0.1 mm
●常見應(yīng)用： 修復(fù)高端汽車/航空航天部件、功能原型和最終部件
●優(yōu)勢：高堆積率，能夠向現(xiàn)有組件添加金屬
●缺點(diǎn)：由于無法制作支撐結(jié)構(gòu)而無法制作復(fù)雜的形狀，通常表面光潔度和精度較差
1.激光定向能量沉積
△使用激光和粉末金屬的 3D 打印金屬
激光定向能量沉積 (L-DED)，也稱為激光金屬沉積 (LMD) 或激光工程凈成形 (LENS)，使用通過一個或多個噴嘴送出金屬粉末或金屬絲，并通過強(qiáng)大的激光熔化構(gòu)建平臺或金屬部件上。隨著噴嘴和激光的移動或零件在多軸轉(zhuǎn)盤上的移動，物體會逐層堆積。構(gòu)建速度比粉末床熔化更快，但會導(dǎo)致表面質(zhì)量降低和精度顯著降低，通常需要大量的后加工。激光 DED 打印機(jī)通常具有充滿氬氣的密封室以避免氧化。在處理反應(yīng)性較低的金屬時，它們還可以僅使用局部氬氣或氮?dú)膺M(jìn)行操作。
該工藝中常用的金屬包括不銹鋼、鈦和鎳合金。這種打印方法通常用于修復(fù)高端航空和汽車部件，例如噴氣發(fā)動機(jī)葉片，但也用于生產(chǎn)整個部件。
△Meltio M450 送絲激光 DED 3D 打印機(jī)、Optomec LENS CS 600 金屬粉末送料激光 DED 3D 打印機(jī)和 DMG Mori Lasertec 65 DED 送粉激光 DED 3D 打印機(jī)。
2.電子束定向能量沉積
△電子束 DED 3D 打印
電子束 DED，也稱為線電子束能量沉積，是一種與激光 DED 非常相似的 3D 打印工藝。它是在真空室中進(jìn)行的，可以生產(chǎn)出非常干凈、高質(zhì)量的金屬。當(dāng)一根金屬絲通過一個或多個噴嘴時，它會被電子束熔化。層是單獨(dú)構(gòu)建的，電子束形成一個微小的熔池，焊絲由送絲機(jī)送入熔池。在處理高性能金屬和活性金屬（例如銅、鈦、鈷和鎳合金）時，選擇電子束用于 DED。
DED 機(jī)器實際上在打印尺寸方面不受限制。例如，3D 打印機(jī)制造商 Sciaky 擁有一臺 EB DED 機(jī)器，可以以每小時 3 到 9 公斤材料的速度生產(chǎn)近 6 米長的零件。電子束 DED 被吹捧為制造金屬部件最快的方法之一，盡管不是最精確的，這使其成為構(gòu)建大型結(jié)構(gòu)（例如機(jī)身）或替換零件（例如渦輪葉片）的理想加工技術(shù)。
△線材電子束沉積3D打印
3.線控能量沉積
△Gefertec 電弧增材制造 (WAAM) 打印
Wire Directed Energy Deposition，也稱為Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)，是一種 3D 打印，它使用等離子或電弧形式的能量來熔化線材形式的金屬，并通過機(jī)械臂將金屬一層一層地沉積到表面，例如多軸轉(zhuǎn)盤，形成一個形狀。之所以選擇這種方法而不是選擇激光或電子束的類似技術(shù)，是因為它不需要密封室，并且可以使用與傳統(tǒng)焊接相同的金屬（有時是完全相同的材料）。
電直接能量沉積被認(rèn)為是 DED 技術(shù)中最具成本效益的選擇，可以使用現(xiàn)有的弧焊機(jī)器人和電源，因此進(jìn)入門檻相對較低。但與焊接不同，這項技術(shù)使用復(fù)雜的軟件來控制過程中的一系列變量，包括機(jī)械臂的熱管理和工具路徑。這種技術(shù)沒有要移除的支撐結(jié)構(gòu)，成品零件通常在必要時經(jīng)過 CNC 加工以達(dá)到嚴(yán)格的公差或表面拋光。
△Gefertec 和 WAAM3D 的線弧增材制造 3D 打印機(jī)。
事實上，3D 打印也稱為增材制造，是一個總稱，涵蓋了幾種截然不同的 3D 打印工藝。這些技術(shù)是天壤之別，但關(guān)鍵過程是相同的。例如，所有 3D 打印都從數(shù)字模型開始，因為該技術(shù)本質(zhì)上是數(shù)字化的。零件或產(chǎn)品最初是使用計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 軟件設(shè)計或從數(shù)字零件庫獲取的電子文件。然后設(shè)計文件通過特殊的構(gòu)建準(zhǔn)備軟件將其分解成切片或?qū)右赃M(jìn)行 3D 打印，生成3D打印機(jī)要遵循的路徑指令。接下來您將了解這些技術(shù)之間的區(qū)別以及每種技術(shù)的典型用途。
為什么是 7 種類型？
增材制造的類型可以根據(jù)它們生產(chǎn)的產(chǎn)品或使用的材料類型來劃分，國際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 將其分為七種一般類型(但這七個3D打印類別也難以涵蓋越來越多的技術(shù)子類型和混合技術(shù))。：
●材料擠出
●還原聚合
●粉床融合
●材料噴射
●粘合劑噴射
●定向能沉積
●片材層壓
一、材料擠出
△材料擠出3D打印
材料擠出顧名思義：材料通過噴嘴擠出。通常情況下，這種材料是一種塑料細(xì)絲，通過一個加熱的噴嘴進(jìn)行熔化和擠出。打印機(jī)沿著通過軟件得到的工藝路徑將材料放置在構(gòu)建平臺上。然后燈絲冷卻并凝固形成固體物體。這是最常見的 3D 打印形式。乍一看這聽起來很簡單，但考慮到擠出的材料，包括塑料、金屬、混凝土、生物凝膠和各種食品，這其實是一個非常廣泛的類別。這種類型的 3D 打印機(jī)價格從100美元到七位數(shù)不等。
●材料擠出的子類型：熔融沉積建模 (FDM)、建筑 3D 打印、微型 3D 打印、生物 3D 打印
●材料：塑料、金屬、食品、混凝土等
●尺寸精度： ±0.5%（下限±0.5mm）
●常見應(yīng)用：原型、電氣外殼、形狀和配合測試、夾具和夾具、熔模鑄造模型、房屋等。
●優(yōu)勢：成本最低的 3D 打印方法，材料范圍廣
●缺點(diǎn)：通常材料性能較低（強(qiáng)度、耐用性等），通常尺寸精度不高
1.熔融沉積成型 (FDM)
△FDM 零件可以在各種 3D 打印機(jī)上用金屬或塑料制成
FDM 3D 打印機(jī)是一個價值數(shù)十億美元的市場，擁有數(shù)以千計的機(jī)器，從基本型號到制造商的復(fù)雜型號。FDM機(jī)器被稱為熔絲制造 (FFF)，這是完全相同的技術(shù)。與所有 3D 打印技術(shù)一樣，F(xiàn)DM 從數(shù)字模型開始，然后將其轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可以遵循的路徑。使用 FDM，將線軸上的一根（或一次幾根）燈絲裝入 3D 打印機(jī)，然后送入擠出頭中的打印機(jī)噴嘴。打印機(jī)噴嘴或多個噴嘴被加熱到所需溫度，使燈絲軟化，從而使連續(xù)的層連接起來形成一個堅固的部件。
當(dāng)打印機(jī)沿 XY 平面上的指定坐標(biāo)移動擠出頭時，它會繼續(xù)鋪設(shè)第一層。然后擠出頭上升到下一個高度（Z 平面），重復(fù)打印橫截面的過程，一層一層地構(gòu)建，直到物體完全成型。根據(jù)對象的幾何形狀，有時需要添加支撐結(jié)構(gòu)以在打印時支撐模型，例如，如果模型具有陡峭的懸垂部分。這些支撐在打印后被移除。一些支撐結(jié)構(gòu)材料可以溶解在水或另一種溶液中。
△FDM 3D 打印機(jī)為業(yè)余愛好者、小型企業(yè)和制造商提供范圍廣泛的機(jī)器（來源：Creality、Raise3D、Stratasys）
2.3D生物打印
△3D 生物打印與傳統(tǒng) 3D 打印類似，但原料差異很大
3D 生物打印或生物 3D 打印是一種增材制造工藝，其中將有機(jī)或生物材料（例如活細(xì)胞和營養(yǎng)素）結(jié)合起來以創(chuàng)建類似組織的天然三維結(jié)構(gòu)。換句話說，生物打印是一種3D打印，可以生產(chǎn)從骨骼組織和血管到活組織的任何東西。它用于各種醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用，包括組織工程、藥物測試和開發(fā)，以及創(chuàng)新的再生醫(yī)學(xué)療法。3D 生物打印的實際定義仍在不斷發(fā)展。從本質(zhì)上講，3D 生物打印的工作原理與 FDM 3D 打印類似，并且屬于材料擠出系列。（盡管擠出并不是唯一的生物打印方法）
3D 生物打印使用從針排出的材料(生物墨水)來創(chuàng)建打印層。這些被稱為生物墨水的材料主要由活物質(zhì)組成，例如載體材料中的細(xì)胞——如膠原蛋白、明膠、透明質(zhì)酸、蠶絲、海藻酸鹽或納米纖維素，充當(dāng)結(jié)構(gòu)生長和營養(yǎng)物質(zhì)的分子支架，提供支持。
3.建筑 3D 打印
△建筑 3D 打印
建筑 3D 打印是一個快速發(fā)展的材料擠出領(lǐng)域。該技術(shù)涉及使用超大型 3D 打印機(jī)（通常高達(dá)數(shù)十米）從噴嘴中擠出混凝土等建筑材料。這些機(jī)器通常以龍門架或機(jī)械臂系統(tǒng)的形式出現(xiàn)。3D建筑打印技術(shù)如今用于住宅、建筑特色以及從水井到墻壁的建筑項目。有研究者表示，它有可能顯著改變整個建筑行業(yè)，因為它減少了勞動力需求并減少了建筑垃圾。
美國和歐洲有數(shù)十座 3D 打印房屋，并且正在研究開發(fā) 3D 建筑技術(shù)，該技術(shù)將使用在月球和火星上發(fā)現(xiàn)的材料為未來的探險隊建造棲息地。用當(dāng)?shù)赝寥来婊炷链蛴∽鳛橐环N更可持續(xù)的建筑方法也受到關(guān)注。
二、還原聚合
△使用激光的還原聚合
桶聚合（也稱為樹脂 3D 打?。┦且幌盗?3D 打印工藝，它使用光源在桶中選擇性地固化（或硬化）光敏聚合物樹脂。換句話說，光線精確地指向液體塑料的特定點(diǎn)或區(qū)域以使其硬化。第一層固化后，構(gòu)建平臺將向上或向下移動（取決于打印機(jī)）少量（通常在 0.01 和 0.05 毫米之間），下一層固化，與前一層連接。逐層重復(fù)此過程，直到形成 3D 部件。3D 打印過程完成后，清潔物體以去除剩余的液態(tài)樹脂并進(jìn)行后固化（在陽光下或紫外線室中）以增強(qiáng)部件的機(jī)械性能。
三種最常見的桶聚合形式是立體光刻 (SLA)、數(shù)字光處理 (DLP)和液晶顯示器 (LCD)，也稱為掩模立體光刻 (MSLA)。這些類型的 3D 打印技術(shù)之間的根本區(qū)別在于光源及其用于固化樹脂的方式。
△大桶聚合利用光逐層硬化光敏樹脂
一些 3D 打印機(jī)制造商，尤其是那些制造專業(yè)級 3D 打印機(jī)的制造商，已經(jīng)開發(fā)出獨(dú)特且獲得專利的 光聚合變體，因此您可能會在市場上看到不同的技術(shù)名稱。一家工業(yè) 3D 打印機(jī)制造商 Carbon 使用一種稱為數(shù)字光合成(DLS) 的桶聚合技術(shù)，Stratasys 的 Origin 稱其技術(shù)為可編程光聚合(P3)，F(xiàn)ormlabs 提供其稱為低力立體光刻(LFS) 的技術(shù)，而 Azul 3D 是第一個將大面積快速打印(HARP) 形式的大桶聚合商業(yè)化。還有基于光刻的金屬制造 (LMM)、投影微立體光刻(PμSL) 和數(shù)字復(fù)合材料制造(DCM)，這是一種填充光聚合物技術(shù)，可將功能性添加劑（例如金屬和陶瓷纖維）引入液體樹脂中。
●3D 打印技術(shù)的類型：立體光刻 (SLA)、液晶顯示器 (LCD)、數(shù)字光處理 (DLP)、微立體光刻 (μSLA) 等。
●材料：光聚合物樹脂（可澆注、透明、工業(yè)、生物相容性等）
●尺寸精度： ±0.5%（下限為 ±0.15 毫米或 5 納米，使用 μSLA）
●常見應(yīng)用：注塑模狀聚合物原型和最終用途部件、珠寶鑄造、牙科應(yīng)用、消費(fèi)品
●優(yōu)勢：光滑的表面光潔度，精細(xì)的特征細(xì)節(jié)
1.立體光刻 (SLA)
△立體光刻 (SLA)來自 3D Systems、DWS 和 Formlabs 的 SLA 3D 打印示例
SLA是世界上第一個3D打印技術(shù)。立體光刻技術(shù)由查克·赫爾 (Chuck Hull) 于 1986 年發(fā)明，他為該技術(shù)申請了專利，并成立了 3D Systems 公司以將其商業(yè)化。如今，該技術(shù)可供來自眾多 3D 打印機(jī)制造商的愛好者和專業(yè)人士使用。SLA使用激激光束對準(zhǔn)一桶樹脂，選擇性地固化打印區(qū)域內(nèi)物體的橫截面，逐層建造。當(dāng)大多數(shù) SLA 打印機(jī)使用固態(tài)激光來固化部件。這種桶聚合的一個缺點(diǎn)是，與我們的下一種方法 (DLP) 相比，點(diǎn)激光可能需要更長的時間來追蹤物體的橫截面，后者會閃爍光線以立即硬化整個層。然而，激光可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光，這是某些工程級樹脂所需要的。
△SLA 3D 打印機(jī)使用一個或多個激光一次追蹤和固化單層樹脂
微立體光刻 (μSLA)
微立體光刻技術(shù)可以打印微型部件，分辨率在 2 微米 (μm) 到 50 微米之間。作為參考，人類頭發(fā)的平均寬度為 75 微米。它是“微型 3D 打印”技術(shù)之一。μSLA 涉及將感光材料（液態(tài)樹脂）暴露在紫外激光下。不同之處在于專用樹脂、激光的復(fù)雜性以及透鏡的添加，它們會產(chǎn)生幾乎令人難以置信的小光點(diǎn)。
△Nanoscribe 和 Microlight3D 是 TPP 3D 打印機(jī)的兩家領(lǐng)先制造商（來源：Nanoscribe、Microlight3D）
雙光子聚合 (TPP)
另一種微型3D打印技術(shù)TPP（也稱為2PP）可以歸為SLA，因為它也使用激光和光敏樹脂，它可以打印比 μSLA 更小的部件，小至 0.1 微米。TPP使用脈沖飛秒激光聚焦到一大桶特殊樹脂中的一個狹窄點(diǎn)。然后使用該點(diǎn)固化樹脂中的單個3D像素，也稱為體素。通過在預(yù)定義的路徑中逐層依次固化這些納米級到微米級的小體素。TPP 目前用于研究、醫(yī)療應(yīng)用和微型零件的制造，例如微型電極和光學(xué)傳感器。
△微型 3D 打印：TPP 技術(shù)
2.數(shù)字光處理 (DLP)
△Anycubic、Carbon 和 ETEC 的 DLP 3D 打印部件
DLP 3D 打印使用數(shù)字光投射器（而不是激光）在一層或樹脂上同時閃爍每一層的單個圖像（或為較大的部件多次曝光）。DLP（比 SLA 更常見）用于在單個批次中生產(chǎn)更大的零件或更大體積的零件，因為無論構(gòu)建中有多少零件，每一層曝光都需要完全相同的時間，比SLA 中的點(diǎn)激光方法效率更高。每一層的圖像都由正方形像素組成，導(dǎo)致一層由稱為體素的小矩形塊形成。使用發(fā)光二極管 (LED) 屏幕或 UV 光源（燈）將光投射到樹脂上，并通過數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD) 將光投射到構(gòu)建表面。
△數(shù)字光處理 (DLP) 樹脂 3D 打印機(jī)有從業(yè)余愛好版本也有完整的制造生產(chǎn)機(jī)器
現(xiàn)代 DLP 投影儀通常有數(shù)千個微米大小的 LED 作為光源。它們的開關(guān)狀態(tài)是單獨(dú)控制的，可以提高 XY 分辨率。并不是所有的 DLP 3D 打印機(jī)都是一樣的，光源的功率、它通過的鏡頭、DMD 的質(zhì)量以及構(gòu)成一臺價值 300 美元的機(jī)器的許多其他零部件都有很大的不同與超過 200,000 美元的機(jī)器相比。
自上而下的 DLP
一些 DLP 3D 打印機(jī)的光源安裝在打印機(jī)的頂部，向下照射到樹脂桶上，而不是向上照射。這些“自上而下”的機(jī)器從頂部閃現(xiàn)一層圖像，一次固化一層，然后將固化層放回大桶中。每次降低構(gòu)建板時，安裝在大桶頂部的重涂機(jī)都會在樹脂上來回移動以整平新層。制造商表示，由于打印過程不會對抗重力，因此這種方法可以為較大的打印件產(chǎn)生更穩(wěn)定的零件輸出。自下而上打印時，可以從構(gòu)建板上垂直懸掛多少重量是有限制的。樹脂桶還在打印時支撐打印件，減少了對支撐結(jié)構(gòu)的需求。
△BMF 的 MicroArch S230 可以打印小至 2 微米的聚合物或陶瓷的詳細(xì)部件（來源：BMF）
投影微立體光刻 (PμSL)
作為一種獨(dú)特類型的桶聚合本身，將PμSL 歸為 DLP 的子類別。這是另一種微型3D打印技術(shù)。PμSL 使用來自投影儀的紫外線來固化微米級（2 微米分辨率和低至 5 微米層高）的特殊配方樹脂層。這種增材制造技術(shù)因其低成本、準(zhǔn)確性、速度以及可使用的材料范圍（包括聚合物、生物材料和陶瓷）而不斷發(fā)展。它已顯示出從微流體和組織工程到微光學(xué)和生物醫(yī)學(xué)微型設(shè)備的應(yīng)用潛力。
基于光刻的金屬制造 (LMM)
這是DLP的另一個”遠(yuǎn)親“，這種使用光和樹脂進(jìn)行3D打印的方法可以為手術(shù)工具和微機(jī)械零件等應(yīng)用創(chuàng)建微小的金屬零件。在 LMM 中，金屬粉末均勻分散在光敏樹脂中，然后通過投影儀用藍(lán)光曝光進(jìn)行選擇性聚合。打印后，素坯部件的聚合物成分被去除，留下全金屬的脫脂部件，這些部件在熔爐中的燒結(jié)過程中完成。原料包括不銹鋼、鈦、鎢、黃銅、銅、銀和金。
△使用 LMM 技術(shù)在 Incus 3D 打印上制作的微型金屬 3d 打印部件
3.液晶顯示器 (LCD)
△來自 Elegoo、Photocentric 和 Nexa3D 的 LCD 3D 打印部件。
液晶顯示器 (LCD)，也稱為掩模立體光刻 (MSLA)，與上述 DLP 非常相似，不同之處在于它使用 LCD 屏幕而不是數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD)，這對 3D 打印機(jī)的價格有顯著影響。與 DLP 一樣，LCD 光掩模是數(shù)字顯示的，由方形像素組成。LCD 光掩模的像素大小決定了打印的粒度。因此，XY 精度是固定的，不依賴于鏡頭的變焦或縮放程度，就像 DLP 的情況一樣。DLP 的打印機(jī)和 LCD 技術(shù)之間的另一個區(qū)別是，后者使用數(shù)百個單獨(dú)發(fā)射器的陣列，而不是像激光二極管或 DLP 燈泡那樣的單點(diǎn)發(fā)射光源。
△如今，LCD 樹脂 3D 打印技術(shù)正在從消費(fèi)機(jī)器轉(zhuǎn)向工業(yè)機(jī)器
與 DLP 類似，LCD 在某些條件下可以實現(xiàn)比 SLA 更快的打印時間。這是因為整個層一次曝光，而不是用激光點(diǎn)追蹤橫截面積。由于 LCD 單元成本低，這項技術(shù)已成為低價桌面樹脂打印機(jī)領(lǐng)域的首選技術(shù)，但這并不意味著它沒有得到專業(yè)使用，一些工業(yè) 3D 打印機(jī)制造商正在突破技術(shù)極限并取得令人矚目的成果。
三、粉床融合
△粉末床融合
粉末床融合 (PBF) 是一種3D打印工藝，其中熱能源選擇性地熔化構(gòu)建區(qū)域內(nèi)的粉末顆粒（塑料、金屬或陶瓷），以逐層創(chuàng)建固體物體。粉末床融合 3D 打印機(jī)在打印床上散布一層薄薄的粉末材料，通常使用一種刀片、滾筒或擦拭器。來自激光的能量融合粉末層上的特定點(diǎn)，然后沉積另一個粉末層并融合到前一層。重復(fù)該過程，直到制造出整個物體，最終產(chǎn)品由未融合的粉末包裹和支撐。
△金屬激光粉末床熔合工藝
PBF 可以制造具有高機(jī)械性能（包括強(qiáng)度、耐磨性和耐用性）的部件，用于消費(fèi)品、機(jī)械和工具的最終用途。該細(xì)分市場中的3D打印機(jī)越來越便宜（起價在 25,000 美元左右），但它被認(rèn)為是一種工業(yè)技術(shù)。
●3D打印技術(shù)的種類：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光粉末床熔化（LPBF）、電子束熔化（EBM）
●材料：塑料粉末、金屬粉末、陶瓷粉末
●尺寸精度： ±0.3%（下限±0.3mm）
●常見應(yīng)用：功能部件、復(fù)雜管道（空心設(shè)計）、小批量部件生產(chǎn)
●優(yōu)勢：功能部件、出色的機(jī)械性能、復(fù)雜的幾何形狀
●缺點(diǎn)：機(jī)器成本較高，通常是高成本材料，建造速度較慢
1.選擇性激光燒結(jié) (SLS)
△Sinterit 的 SLS 3D 打印部件
選擇性激光燒結(jié) (SLS) 使用激光從塑料粉末中制造物體。首先，將一箱聚合物粉末加熱到剛好低于聚合物熔點(diǎn)的溫度。然后使用重涂刀片或擦拭器將一層非常薄的粉末材料（通常為 0.1 毫米厚）沉積到構(gòu)建平臺上。激光開始根據(jù)數(shù)字模型中布置的圖案掃描表面。激光選擇性地?zé)Y(jié)粉末并凝固物體的橫截面。當(dāng)掃描整個橫截面時，構(gòu)建平臺在高度上向下移動一層厚度。重涂刀片在最近掃描的層上沉積一層新的粉末，激光將物體的下一個橫截面燒結(jié)到先前固化的橫截面上。
△可以手動或自動對 SLS 3D 打印部件進(jìn)行除粉和清潔
重復(fù)這些步驟，直到制造出所有物體。未燒結(jié)的粉末保留在原位以支撐物體，這減少或消除了對支撐結(jié)構(gòu)的需要。從粉末床中取出零件并進(jìn)行清潔后，無需其他必要的后處理步驟。零件可以拋光、涂層或著色。SLS 3D 打印機(jī)之間有許多差異化因素，不僅包括它們的尺寸，還包括激光的功率和數(shù)量、激光的光斑大小、加熱床的時間和方式以及粉末的分布方式等。SLS 3D 打印中最常見的材料是尼龍（PA6、PA12），但也可以使用 TPU 和其他材料打印出柔韌的部件。
△SLS 3D 打印機(jī)使用聚合物粉末和激光來形成固體零部件
2.微選擇性激光燒結(jié) (μSLS)
μSLS 屬于 SLS 或下文所述的激光粉末床融合 (LPBF)的技術(shù)。它使用激光來燒結(jié)粉末狀材料，例如 SLS，但這種材料通常是金屬而不是塑料，因此它更像是 LPBF。它是另一種微型 3D 打印技術(shù)，可以以微型（低于 5 μm）的分辨率創(chuàng)建零件。
△來自 3D MicroPrint 的金屬 3D 微打印
在 μSLS 中，將一層金屬納米顆粒墨水涂在基材上，然后干燥以產(chǎn)生均勻的納米顆粒層。接下來，使用數(shù)字微鏡陣列圖案化的激光用于加熱納米粒子并將其燒結(jié)成所需的圖案。然后重復(fù)這組步驟以在 μSLS 系統(tǒng)中構(gòu)建 3D 部件的每一層。
3.激光粉末床融合 (LPBF)
△顯示 SLM 精度的 Xact Metal 測試件（來源：Xact Metal）
在所有 3D 打印技術(shù)中，這一項的別名最多。這種金屬 3D 打印方法的正式名稱為激光粉末床熔化 (LPBF)，也被廣泛稱為直接金屬激光燒結(jié) (DMLS) 和選擇性激光熔化 (SLM)。在這項技術(shù)發(fā)展的早期，機(jī)器制造商為相同的過程創(chuàng)建了自己的名稱，這些名稱一直沿用至今。特別指出，上述這三個術(shù)語指的是同一過程，即使某些機(jī)械細(xì)節(jié)有所不同。
作為粉末床融合的一種子類型，LPBF 使用一個金屬粉末床和一個或多個（最多 12 個）高功率激光器。LPBF 3D 打印機(jī)使用激光在分子基礎(chǔ)上逐層選擇性地將金屬粉末融合在一起，直到模型完成。LPBF是一種高度精確的 3D 打印方法，通常用于為航空航天、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建復(fù)雜的金屬零件。
△Sandvik 的 LPBF 金屬 3D 打印
與 SLS 一樣，LPBF 3D 打印機(jī)從分成切片的數(shù)字模型開始。打印機(jī)將粉末裝入構(gòu)建室，然后用刮刀（如擋風(fēng)玻璃刮水器）或滾筒將其在構(gòu)建板上鋪成薄層。激光將層追蹤到粉末上。然后構(gòu)建平臺向下移動，再涂上一層粉末并與第一層融合，直到構(gòu)建出整個物體。構(gòu)建室是封閉的、密封的，并且在許多情況下充滿了惰性氣體，例如氮?dú)饣驓鍤饣旌衔铮源_保金屬在熔化過程中不會氧化，并有助于清除熔化過程中的碎屑。打印后，零件從粉末床中取出、清洗，并經(jīng)常進(jìn)行二次熱處理以消除應(yīng)力。剩余的粉末被回收再利用。
LPBF 3D 打印機(jī)的差異化因素包括激光器的類型、強(qiáng)度和數(shù)量。小型緊湊型 LPBF 打印機(jī)可能有一個 30 瓦的激光器，而工業(yè)版本可能有 12 個 1,000 瓦的激光器。LPBF 機(jī)器使用常見的工程合金，例如不銹鋼、鎳高溫合金和鈦合金。有數(shù)十種金屬可用于 LPBF 工藝。
△來自 One Click Metal、Farsoon、Kurtz Ersa 的 LPBF 3D 打印機(jī)。
3.電子束熔煉 (EBM)
△電子束熔化 (EBM)
EBM，也稱為電子束粉末床熔合 (EB PBF)，是一種類似于 LPBF 的金屬 3D 打印方法，但使用電子束而不是光纖激光器。該技術(shù)用于制造零件，例如鈦骨科植入物、噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪葉片和銅線圈。
電子束產(chǎn)生更多的能量和熱量，這是某些金屬和應(yīng)用所需要的。而且EBM 不是惰性氣體環(huán)境，而是在真空室中進(jìn)行，以防止光束散射。構(gòu)建室溫度最高可達(dá) 1,000 °C，在某些情況下甚至更高。因為電子束使用電磁束控制，所以它的移動速度比激光快，甚至可以分開以同時曝光多個區(qū)域。
△來自 JEOL、GE Additive 和 Wayland Additive 的電子束熔化 (EBM) 金屬 3D 打印機(jī)。
EBM 優(yōu)于 LPBF 的優(yōu)勢之一是它能夠處理導(dǎo)電材料和反射金屬，例如銅。EBM 的另一個特點(diǎn)是能夠在構(gòu)建室中將單獨(dú)的部件相互嵌套或堆疊，因為它們不一定必須連接到構(gòu)建板上，這大大增加了體積輸出。與激光相比，電子束通常會產(chǎn)生更大的層厚度和更粗糙的表面特征。由于構(gòu)建室中的高溫，EBM 打印部件可能不需要通過打印后熱處理來消除應(yīng)力。
四、材料噴射
△材料噴射
材料噴射是一種 3D 打印工藝，其中微小的材料液滴被沉積，然后在構(gòu)建板上固化或固化。使用暴露在光線下會固化的光敏聚合物或蠟滴，一次一層地構(gòu)建物體。材料噴射過程的性質(zhì)允許在同一物體上打印不同的材料。這種技術(shù)的一個應(yīng)用是制造多種顏色和紋理的零件。
●3D 打印技術(shù)的類型：材料噴射 (MJ)、納米粒子噴射 (NPJ)
●材料：光敏樹脂（標(biāo)準(zhǔn)、澆注、透明、耐高溫）、蠟
●尺寸精度： ±0.1 mm
●常見應(yīng)用：全彩產(chǎn)品原型、類似注塑模具的原型、低運(yùn)行注塑模具、醫(yī)療模型、時裝
●優(yōu)勢：帶紋理的表面光潔度、全彩和多種材料可用
●缺點(diǎn)：材料有限，不適合要求精密的機(jī)械零件，成本高于用于視覺目的的其他樹脂技術(shù)
1.材料噴射 (M-Jet)
△Stratasys 的材料噴射 3D 打印部件
聚合物的材料噴射 (M-Jet) 是一種 3D 打印工藝，其中一層光敏樹脂被選擇性地沉積到構(gòu)建板上并用紫外線 (UV) 光固化。在一層沉積和固化后，構(gòu)建平臺降低一層厚度，重復(fù)該過程以構(gòu)建 3D 對象。M-Jet 將樹脂 3D 打印的高精度與線材 3D 打印 (FDM) 的速度相結(jié)合，以創(chuàng)建具有逼真的顏色和紋理的零件和原型。
所有材料噴射3D打印技術(shù)都不完全相同。打印機(jī)制造商和專有材料之間存在差異。M-Jet 機(jī)器以逐行方式從多排打印頭沉積構(gòu)建材料。這種方法使打印機(jī)能夠在不影響構(gòu)建速度的情況下在一條線上制造多個對象。只要模型在構(gòu)建平臺上正確排列，并優(yōu)化每條構(gòu)建線內(nèi)的空間，M-Jet 就可以比許多其他類型的樹脂 3D 打印機(jī)更快地生產(chǎn)零件。
△來自 Stratasys、DP Polar / 3D Systems 和 Mimaki 的材料噴射 3D 打印機(jī)
用 M-Jet 制造的物體需要支撐，它在構(gòu)建過程中由可溶解材料同時打印，該材料在后處理階段被去除。M-Jet 是為數(shù)不多的 3D 打印技術(shù)之一，可提供由多材料打印和全彩色制成的物體。材料噴射機(jī)沒有愛好者版本，這些機(jī)器更適用于汽車制造商、工業(yè)設(shè)計公司、藝術(shù)工作室、醫(yī)院和所有類型的產(chǎn)品制造商的專業(yè)人士，他們希望創(chuàng)建準(zhǔn)確的原型來測試概念并更快地將產(chǎn)品推向市場。與桶聚合技術(shù)不同，M-Jet 不需要后固化，因為打印機(jī)中的紫外線會完全固化每一層。
氣溶膠射流
Aerosol Jet 是一家名為 Optomec 的公司開發(fā)的一項獨(dú)特技術(shù)，主要用于 3D 打印電子產(chǎn)品。電阻器、電容器、天線、傳感器和薄膜晶體管等組件均采用氣溶膠噴射技術(shù)打印。它可以粗略地比作噴漆，但它與工業(yè)涂層工藝的區(qū)別在于它可以用于打印完整的 3D 物體。
將電子墨水放入霧化器中，霧化器會產(chǎn)生直徑在 1 至 5 微米之間的液滴。然后氣溶膠霧被輸送到沉積頭，被鞘氣聚焦，從而產(chǎn)生高速粒子噴霧。由于整個過程使用了能量，該技術(shù)有時也被稱為定向能量沉積，但由于材料在這種情況下呈液滴狀，因此我們將其包含在材料噴射中。
塑料自由成型
德國公司 Arburg 創(chuàng)造了一種稱為塑料自由成型 (APF) 的技術(shù)，它是擠出技術(shù)和材料噴射技術(shù)的結(jié)合。它使用市售的塑料顆粒，這些塑料顆粒在注塑成型過程中熔化并移至卸料單元。高頻噴嘴關(guān)閉產(chǎn)生每秒多達(dá) 200 個直徑在 0.2 至 0.4 毫米之間的塑料小液滴的快速打開和關(guān)閉運(yùn)動。液滴在冷卻時與硬化材料結(jié)合。一般來說，不需要后期處理。如果使用了支撐材料，則必須將其移除。
2.納米粒子噴射 (NPJ)
△使用納米粒子噴射技術(shù)和 XJet 3D 打印機(jī)創(chuàng)建的金屬部件
NanoParticle Jetting (NPJ) 是為數(shù)不多的難以歸類的專有技術(shù)之一，由一家名為 XJet 的公司開發(fā)，它使用帶有數(shù)千個噴墨噴嘴的打印頭陣列，可同時將數(shù)百萬個超細(xì)材料滴噴射到超薄層的構(gòu)建托盤上，同時同時噴射支撐材料。金屬或陶瓷顆粒懸浮在液體中。該過程在高溫下發(fā)生，噴射時液體蒸發(fā)，大部分只留下金屬或陶瓷材料。生成的 3D 部件僅殘留少量粘合劑，這些粘合劑在燒結(jié)后處理中被去除。
五、粘合劑噴射
△粘合劑噴射
粘合劑噴射是一種 3D 打印工藝，其中液體粘合劑選擇性地粘合一層粉末的區(qū)域。該技術(shù)類型兼有粉末床熔合和材料噴射的特點(diǎn)。與 PBF 類似，粘合劑噴射使用粉末材料（金屬、塑料、陶瓷、木材、糖等），并且與材料噴射一樣，液體粘合劑聚合物從噴墨器沉積。無論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，粘合劑噴射過程都是相同的。
首先，重涂刀片在構(gòu)建平臺上涂抹一層薄薄的粉末。然后，帶有噴墨噴嘴的打印頭在床上方經(jīng)過，選擇性地沉積粘合劑液滴以將粉末顆粒粘合在一起。層完成后，構(gòu)建平臺向下移動，刀片重新涂覆表面。然后重復(fù)該過程，直到整個部分完成。
粘合劑噴射的獨(dú)特之處在于打印過程中沒有熱量。粘合劑充當(dāng)將聚合物粉末粘合在一起的膠水。打印后，零件被包裹在未使用的粉末中，通常會留下來固化。然后將零件從粉末倉中取出，收集多余的粉末并可重復(fù)使用。從這里開始，根據(jù)材料的不同，需要進(jìn)行后處理，但沙子除外，沙子通?？梢灾苯訌拇蛴C(jī)中用作型芯或模具。當(dāng)粉末是金屬或陶瓷時，涉及加熱的后處理會熔化掉粘合劑，只留下金屬。塑料零件后處理通常包括涂層以改善表面光潔度。您還可以拋光、涂漆和打磨聚合物粘合劑噴射部件。
粘合劑噴射速度快且生產(chǎn)率高，因此與其他 AM 方法相比，它可以更經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)大量零件。金屬粘合劑噴射可用于多種金屬，在最終用途消費(fèi)品、工具和批量備件中很受歡迎。然而，聚合物粘合劑噴射的材料選擇有限，并且生產(chǎn)的部件結(jié)構(gòu)性能較低。它的價值在于能夠制作全彩原型和模型。
●3D打印技術(shù)的子類型：金屬粘合劑噴射、聚合物粘合劑噴射、砂粘合劑噴射
●材料：沙子、聚合物、金屬、陶瓷等。
●尺寸精度： ±0.2 毫米（金屬）或±0.3 毫米（沙子）
●常見應(yīng)用：功能性金屬零件、全彩模型、砂鑄件和模具
●優(yōu)勢：低成本、大構(gòu)建體積、功能性金屬部件、出色的色彩再現(xiàn)、快速打印速度、無支撐設(shè)計靈活性
●缺點(diǎn)：對金屬來說是一個多步驟的過程，聚合物部件不耐用
1.金屬粘合劑噴射
△惠普使用金屬噴射技術(shù)的不銹鋼 3D 打印部件
Binder Jetting 還可用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的固體金屬物體，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)制造技術(shù)的能力。金屬粘合劑噴射是一種非常有吸引力的技術(shù)，可用于批量生產(chǎn)金屬零件并實現(xiàn)輕量化。由于粘合劑噴射可以打印具有復(fù)雜圖案填充而不是實體的零件，因此所得零件的重量大大減輕，但強(qiáng)度卻保持不變。粘合劑噴射的孔隙率特征也可用于實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用的較輕端部件，例如植入物。
總的來說，金屬粘結(jié)劑噴射零件的材料性能與金屬注射成型生產(chǎn)的金屬零件相當(dāng)，是金屬零件批量生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的制造方法之一。此外，粘合劑噴射部件表現(xiàn)出更高的表面光滑度，尤其是在內(nèi)部通道中。
△金屬粘合劑噴射 3D 打印機(jī)為最終用途應(yīng)用生產(chǎn)精細(xì)精細(xì)的固體金屬部件
金屬粘合劑噴射部件需要在打印后進(jìn)行二次加工才能獲得良好的機(jī)械性能。剛從打印機(jī)出來，零件基本上由用聚合物粘合劑粘合在一起的金屬顆粒組成。這些所謂的“素坯部件”很脆弱，無法按原樣使用。打印零件從金屬粉末床中取出（稱為脫粉的過程）后，它們將在爐中進(jìn)行熱處理（稱為燒結(jié)的過程）。打印參數(shù)和燒結(jié)參數(shù)都針對特定部件的幾何形狀、材料和所需密度進(jìn)行了調(diào)整。有時使用青銅或其他金屬來滲透粘合劑噴射部件中的空隙，從而實現(xiàn)零孔隙率。
2.塑料粘合劑噴射
△塑料粘合劑噴射
塑料粘合劑噴射是一種與金屬粘合劑噴射非常相似的工藝，因為它也使用粉末和液體粘合劑，但應(yīng)用卻大不相同。打印完成后，塑料部件會從其粉末床中取出并進(jìn)行清潔，通常無需進(jìn)一步處理即可使用，但這些部件缺乏 3D 打印工藝中的強(qiáng)度和耐用性。塑料粘合劑噴射部件可以填充另一種材料以提高強(qiáng)度。使用聚合物進(jìn)行粘合劑噴射因其能夠生產(chǎn)用于醫(yī)學(xué)建模和產(chǎn)品原型的多色部件。
3.砂粘合劑噴射
△砂粘合劑噴射
砂粘合劑噴射與塑料粘合劑噴射在打印機(jī)和打印流程上有所不同，所以這里將其進(jìn)行區(qū)分。生產(chǎn)大型砂鑄模具、模型和型芯是粘合劑噴射技術(shù)最常見的用途之一。該工藝的低成本和速度使其成為鑄造廠的絕佳解決方案，因為使用傳統(tǒng)技術(shù)很難在幾小時內(nèi)生產(chǎn)精細(xì)圖案設(shè)計。
工業(yè)發(fā)展的未來不斷對代工廠和供應(yīng)商提出高要求。沙子3D打印正處于其潛力的開端。打印后，打印人員需要將型芯和模具從構(gòu)建區(qū)域移除并清潔以去除任何松散的沙子。模具通常可以立即準(zhǔn)備好進(jìn)行鑄造。鑄造后，模具被拆開，最終的金屬部件被移除。
4.多射流融合 (MJF)
△巴斯夫和惠普合作為 MJF 開發(fā)了一種新型工業(yè)級聚丙烯
另一種獨(dú)特且品牌特定的 3D 打印工藝不容易歸入任何現(xiàn)有類別，實際上也不是粘合劑噴射，這就是HP 的Multi Jet Fusion。MJF 是一種聚合物 3D 打印技術(shù)，使用粉末材料、液體融合材料和細(xì)化劑。它不被認(rèn)為是粘合劑噴射的原因是在這個過程中增加了熱量，這會產(chǎn)生強(qiáng)度和耐用性更高的部件，而且液體并不完全是粘合劑。該過程的名稱來源于執(zhí)行打印過程的多個噴墨頭。
在 Multi Jet Fusion 打印過程中，打印機(jī)在打印床上鋪設(shè)一層材料粉末，通常是尼龍。在此之后，噴墨頭穿過粉末并將熔化劑和細(xì)化劑沉積在其上。然后紅外線加熱裝置在打印品上移動。無論在何處添加助熔劑，下層都會熔化在一起，而帶有細(xì)化劑的區(qū)域仍保持粉末狀。粉狀部分脫落，產(chǎn)生所需的幾何形狀。這也消除了對建模支持的需要，因為下層支持打印在它們上面的層。為了完成打印過程，整個粉末床以及其中的打印部件被移動到一個單獨(dú)的處理站，大部分松散的未熔融粉末被抽真空，可以重復(fù)使用。
Multi Jet Fusion 是一種多功能技術(shù)，已在汽車、醫(yī)療保健和消費(fèi)品等多個行業(yè)中得到應(yīng)用。
△HP Jet Fusion 5200 系列是 HP Multi Jet Fusion 3D 打印機(jī)的多種尺寸和樣式之一（來源：惠普）
六、粉末定向能量沉積
定向能量沉積 (DED) 是一種 3D 打印工藝，金屬材料在沉積的同時被強(qiáng)大的能量供給和熔化。這是最廣泛的 3D 打印類別之一，包含許多子類別，具體取決于材料的形式（線材或粉末）和能量類型（激光、電子束、電弧、超音速、熱量等）。 從本質(zhì)上講，與焊接有很多共同點(diǎn)。
該技術(shù)用于逐層打印，通常隨后進(jìn)行 CNC 加工，以實現(xiàn)更嚴(yán)格的公差。DED 與 CNC 的結(jié)合使用非常普遍，有一種稱為混合 3D 打印的 3D 打印子類型，在同一臺機(jī)器中包含 DED 和 CNC 單元的混合 3D 打印機(jī)。該技術(shù)被認(rèn)為是一種更快、更便宜的小批量金屬鑄件和鍛造件的替代品，以及用于海上石油和天然氣行業(yè)以及航空航天、發(fā)電和公用事業(yè)行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵維修。
△DED 金屬 3D 打印技術(shù)可以快速創(chuàng)建一個堅固的金屬部件，然后可以加工到嚴(yán)格的公差
●定向能量沉積的子類型：粉末激光能量沉積、線弧增材制造 (WAAM)、線電子束能量沉積、冷噴涂
●材料：各種金屬，線材和粉末形式
●尺寸精度： ±0.1 mm
●常見應(yīng)用： 修復(fù)高端汽車/航空航天部件、功能原型和最終部件
●優(yōu)勢：高堆積率，能夠向現(xiàn)有組件添加金屬
●缺點(diǎn)：由于無法制作支撐結(jié)構(gòu)而無法制作復(fù)雜的形狀，通常表面光潔度和精度較差
1.激光定向能量沉積
△使用激光和粉末金屬的 3D 打印金屬
激光定向能量沉積 (L-DED)，也稱為激光金屬沉積 (LMD) 或激光工程凈成形 (LENS)，使用通過一個或多個噴嘴送出金屬粉末或金屬絲，并通過強(qiáng)大的激光熔化構(gòu)建平臺或金屬部件上。隨著噴嘴和激光的移動或零件在多軸轉(zhuǎn)盤上的移動，物體會逐層堆積。構(gòu)建速度比粉末床熔化更快，但會導(dǎo)致表面質(zhì)量降低和精度顯著降低，通常需要大量的后加工。激光 DED 打印機(jī)通常具有充滿氬氣的密封室以避免氧化。在處理反應(yīng)性較低的金屬時，它們還可以僅使用局部氬氣或氮?dú)膺M(jìn)行操作。
該工藝中常用的金屬包括不銹鋼、鈦和鎳合金。這種打印方法通常用于修復(fù)高端航空和汽車部件，例如噴氣發(fā)動機(jī)葉片，但也用于生產(chǎn)整個部件。
△Meltio M450 送絲激光 DED 3D 打印機(jī)、Optomec LENS CS 600 金屬粉末送料激光 DED 3D 打印機(jī)和 DMG Mori Lasertec 65 DED 送粉激光 DED 3D 打印機(jī)。
2.電子束定向能量沉積
△電子束 DED 3D 打印
電子束 DED，也稱為線電子束能量沉積，是一種與激光 DED 非常相似的 3D 打印工藝。它是在真空室中進(jìn)行的，可以生產(chǎn)出非常干凈、高質(zhì)量的金屬。當(dāng)一根金屬絲通過一個或多個噴嘴時，它會被電子束熔化。層是單獨(dú)構(gòu)建的，電子束形成一個微小的熔池，焊絲由送絲機(jī)送入熔池。在處理高性能金屬和活性金屬（例如銅、鈦、鈷和鎳合金）時，選擇電子束用于 DED。
DED 機(jī)器實際上在打印尺寸方面不受限制。例如，3D 打印機(jī)制造商 Sciaky 擁有一臺 EB DED 機(jī)器，可以以每小時 3 到 9 公斤材料的速度生產(chǎn)近 6 米長的零件。電子束 DED 被吹捧為制造金屬部件最快的方法之一，盡管不是最精確的，這使其成為構(gòu)建大型結(jié)構(gòu)（例如機(jī)身）或替換零件（例如渦輪葉片）的理想加工技術(shù)。
△線材電子束沉積3D打印
3.線控能量沉積
△Gefertec 電弧增材制造 (WAAM) 打印
Wire Directed Energy Deposition，也稱為Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)，是一種 3D 打印，它使用等離子或電弧形式的能量來熔化線材形式的金屬，并通過機(jī)械臂將金屬一層一層地沉積到表面，例如多軸轉(zhuǎn)盤，形成一個形狀。之所以選擇這種方法而不是選擇激光或電子束的類似技術(shù)，是因為它不需要密封室，并且可以使用與傳統(tǒng)焊接相同的金屬（有時是完全相同的材料）。
電直接能量沉積被認(rèn)為是 DED 技術(shù)中最具成本效益的選擇，可以使用現(xiàn)有的弧焊機(jī)器人和電源，因此進(jìn)入門檻相對較低。但與焊接不同，這項技術(shù)使用復(fù)雜的軟件來控制過程中的一系列變量，包括機(jī)械臂的熱管理和工具路徑。這種技術(shù)沒有要移除的支撐結(jié)構(gòu)，成品零件通常在必要時經(jīng)過 CNC 加工以達(dá)到嚴(yán)格的公差或表面拋光。
△Gefertec 和 WAAM3D 的線弧增材制造 3D 打印機(jī)。
4.冷噴涂
△冷噴涂
冷噴涂是一種 DED 3D 打印技術(shù)，以超音速噴涂金屬粉末，以在不熔化的情況下將它們結(jié)合起來，幾乎不會產(chǎn)生熱裂紋或熱應(yīng)力。自 2000 年代初以來，它一直被用作涂層工藝，但最近，幾家公司已將冷噴涂用于增材制造，因為它可以以比典型金屬3D工藝高 50 到 100 倍的速度進(jìn)行打印，并且不需要惰性氣體或真空室。
與所有 DED 工藝一樣，冷噴涂不會產(chǎn)生表面質(zhì)量或細(xì)節(jié)都很好的打印件，但零件可以直接從打印床上使用。
5.熔融直接能量沉積
△熔融直接能量沉積：使用 Xerox 的 ElemX 3D 液態(tài)金屬打印制作的鋁制部件
熔融直接能量沉積是一種 3D 打印工藝，它使用熱量熔化金屬（通常是鋁），然后將其逐層沉積在構(gòu)建板上以形成 3D 物體。該技術(shù)與金屬擠出 3D 打印的不同之處在于，擠出使用內(nèi)部含有少量聚合物的金屬原料，使金屬可擠出。然后在熱處理階段去除聚合物，而熔融DED用純金屬。人們也可以將熔融或液態(tài) DED 比作材料噴射，但不是一系列噴嘴沉積液滴，液態(tài)金屬通常從噴嘴流出。
這項技術(shù)的變體正在開發(fā)中，熔融金屬 3D 打印機(jī)很少見。使用熱量熔化然后沉積金屬的好處是能夠使用比其他DED工藝更少的能量，并可能直接使用回收金屬作為原料，而不是金屬絲或高度加工的金屬粉末。
七、片材層壓
△片材層壓
片材層壓在技術(shù)上是3D打印的一種形式，與上述技術(shù)有很大不同。它的功能是將非常薄的材料片堆疊和層壓在一起以產(chǎn)生 3D 物體或堆疊，然后通過機(jī)械或激光切割以形成最終形狀。材料層可以使用多種方法融合在一起，包括加熱和聲音，具體取決于材料，材料范圍從紙張、聚合物到金屬。當(dāng)零件被層壓然后激光切割或加工成所需的形狀時，會產(chǎn)生比其他3D打印技術(shù)更多的浪費(fèi)。
制造商使用薄片層壓以相對較高的速度生產(chǎn)具有成本效益的非功能性原型，可用于電池技術(shù)、生產(chǎn)復(fù)合材料，因為所使用的材料可以在打印過程中互換。
●3D 打印技術(shù)的類型：層壓物體制造 (LOM)、超聲波固結(jié) (UC)
●材料：紙張、聚合物和片狀金屬
●尺寸精度： ±0.1 mm
●常見應(yīng)用：非功能原型、多色打印、鑄模。
●優(yōu)點(diǎn)：可以快速生產(chǎn)，復(fù)合打印
●缺點(diǎn)：精度低，浪費(fèi)多，部分零件需要后期制作
層壓增材制造
△層壓增材制造
層壓是一種 3D 打印技術(shù)，其中將材料片層疊在一起并使用膠水粘合在一起，然后使用刀（或激光或 CNC 路由器）將分層物體切割成正確的形狀。該技術(shù)如今不太常見，因為其他 3D 打印技術(shù)的成本已經(jīng)下降、速度和易用性大幅增加。
△BCN3D 使用樹脂的粘性光刻制造 (VLM) 3D 打印工藝（來源：BCN3D）
粘性光刻制造 (VLM)：VLM 是 BCN3D 的專利 3D 打印工藝，可將高粘度光敏樹脂薄層層壓到透明轉(zhuǎn)移膜上。機(jī)械系統(tǒng)允許樹脂從薄膜的兩面層壓，從而可以組合不同的樹脂以獲得多材料部件和易于拆卸的支撐結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)尚未商業(yè)化，但也可以屬于其中一種層壓3D 打印技術(shù)。
基于復(fù)合材料的增材制造 (CBAM)：Startup Impossible Objects 為這項技術(shù)申請了專利，該技術(shù)將碳、玻璃或 Kevlar 墊與熱塑性塑料融合在一起以制造零件。
選擇性層壓復(fù)合材料制造 (SLCOM)：EnvisionTEC，現(xiàn)稱為 ETEC，歸 Desktop Metal 所有，于 2016 年開發(fā)了這項技術(shù)，該技術(shù)使用熱塑性塑料作為基礎(chǔ)材料和編織纖維復(fù)合材料。
注：3D打印技術(shù)的種類很多，以上是3D打印中最常見的七大類增材制造技術(shù)，并未覆蓋市場上全部的3D打印技術(shù)
本文提到的3D打印材料簡介
適合做戒指、掛墜、耳環(huán)等首飾，獎?wù)隆⒓o(jì)念幣或者對導(dǎo)電性要求高的工業(yè)零件。35元/克為小件（如首飾）的名義價格，如果制作零件較大，價格會顯著下降。
