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：本期將向熊友們簡單歸納一些主流3D打印工藝，以及統(tǒng)計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�。�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�，此術(shù)語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，國際上ISO/ASTM認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；對于金屬，通常在打印之后還需要進行燒結(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，一臺數(shù)控機床可以配備一個DED打印頭，使同一臺機器既能3D打印材料又能銑削。

同時，南極熊需要特別強調(diào)的是，這七個系列中的每一個都有不同的3D打印細分類別。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是點掃描，而DLP一次固化一層。

機器制造商也可能有專有工藝或使用不同的術(shù)語，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。當構(gòu)建平臺從樹脂桶中升起時，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行熱固化，這可能需要4到13個小時才能完成。熱量會引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，從而增強零件的強度，在清潔和固化后不需要進一步的后處理。

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，在各個方向上都具有相同的強度。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，同時噴射一種支撐材料。成型過程在250°C的加熱床中進行，使液體在噴射時蒸發(fā)，從而使顆粒沿各個方向粘附，打印出的3D對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）進行納米粒子噴射。材料通過墨盒安裝在機器中，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，可以在這個階段進行加工或拋光。

△一個通過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，對于小型零件，在±25微米范圍內(nèi)，對于較大的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，允許精細化的細節(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。這項工作是在混合機床上完成的，機床能夠隨著增材制造的進行而對工件進行CNC銑削。通過堆疊金屬條進行構(gòu)建，可以實現(xiàn)快速構(gòu)建速度，從而使大型部件變得實用。

△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，材料不會熔化，而是通過超聲波焊接進行連接。這種焊接使用高頻振動來連接表面，同時金屬保持固體。通過以這種方式逐層焊接，構(gòu)建了堅固的零件。

△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

在高頻超聲波振動和恒壓下，超聲波運動通過摩擦分解氧化物，使金屬與金屬直接接觸。

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

重復(fù)此過程，直到構(gòu)建出實體部分。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�，兩種截然不同的金屬——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)。

這項技術(shù)結(jié)合了增材制造和減材制造的實用性，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和機械加工制造的零件的精細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

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機器具有多個打印頭，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。在逐個體素水平上應(yīng)用的各種不同聚合物，可以實現(xiàn)單獨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)千個塑料零件的方法，而等待模具加工可能需要幾周的交貨時間。而且由于沒有模具，新技術(shù)在這個數(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。與基于點對點激光的粉末床融合系統(tǒng)不同，MJF選擇性地將融合劑和細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)計自由度以及可以構(gòu)成單個構(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打印機和單獨的后處理站之間移動，以實現(xiàn)快速冷卻和粉末去除。這種模塊化系統(tǒng)允許打印機和后處理站連續(xù)運行，同時構(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粉末床）從打印機中取出，并放入后處理單元以進行快速冷卻。然后將構(gòu)建單元移動到處理站，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、精細的特征分辨率和更一致的機械性能。而且，由于加熱是逐層進行的，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，可以對零件進行噴砂處理，然后進行底漆處理或噴漆處理。如果應(yīng)用需要，可以對打印部件進行染色或進一步處理。

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（玻璃珠增強尼龍）和HR PA 11。

惠普還支持3D材料認證計劃，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、贏創(chuàng)、漢高、Lehmann & Voss & Co.、路博潤和Sigma Design。

為什么使用Multi Jet Fusion多射流熔融
這項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將構(gòu)建單元換出以進行后處理，則單個MJF打印機幾乎可以連續(xù)運行。用過的粉末可以通過回收再利用。

MJF的逐層融合比逐點3D打印系統(tǒng)更快，并且據(jù)說每層都需要相同的時間來融合，而不管復(fù)雜性如何。使用MJF可以垂直和水平嵌套零件，用單獨的單獨零件填充整個構(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爭力。

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）機器的銷售最受歡迎，其次是金屬粉末床熔融機器。

△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 ，每個季度按材料和樣式劃分的3D打印機市場的情況

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