主流3D打印技术简介&什么是FDM,SLA,3DP,SLS
摘要: 熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）
熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料
熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling,FDM）
       
熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。大致结构如下图所示：
FDM结构示意图（来源于网络）
       
在技术中，FDM的机械结构最简单，也最容易，制造、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。
Stratasys工业级机
       
FDM技术的桌面级主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以目前国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。
       
FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM
3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的&台阶效应&，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。
      
光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus,SLA）
        
光固化技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光固化技术，主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。大致结构如下图所示：
光固化原理图
       
光固化技术优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂的原型。使用光固化技术的工业级3D打印机，最著名的是objet，该的3D打印机提供超过123种感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。
Objet材料分类
       
光固化快速成型应该是目前中精度最高，表面也最光滑的，objet系列最低材料层厚可以达到16微米（0.016毫米）。但是光固化快速成型技术也有两个不足，首先光敏树脂原料有一定毒性，操作人员使用时需要注意防护，其次光固化成型的原型在外观方面非常好，但是强度方面尚不能与真正的制成品相比，一般主要用于原型设计验证方面，然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品。此外，SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM，因此，目前基于光固化技术的3D打印机主要应用在专业领域，桌面领域目前已有两个桌面级别SLA技术3D打印机项目启动，一个是Form1，一个是B9，相信不久的将来会有更多低成本的SLA桌面3D打印机面世。
       
三维粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing,3DP）
       
3DP技术由美国麻省理工大学开发成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等，3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。大致结构如下图所示：
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3DP技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。3DP技术的典型设备，是3DS旗下zcorp的zprinter系列，也是3D照相馆使用的设备，zprinter的z650打印出来的产品最大可以输出39万色，色彩方面非常丰富，也是在色彩外观方面，打印产品最接近于成品的3D打印技术。
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但是3DP技术也有不足，首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA光洁，精细度也有劣势，所以一般为了产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前3DP技术主要应用在专业领域，桌面级别目前仅有一个PWDR项目在启动，但仍然处于0.1状态，尚需观察后续进展。
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选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering,SLS）
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该工艺由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个成型。大致结构如下：
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激光烧结技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作。激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。SLS家族最知名的是德国EOS的M系列，成品效果图：
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激光烧结技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷，首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域，而目前尚未有桌面级SLS
3D打印机开发的消息，要进入普通民用领域，可能还需要一段时间。
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3D打印领域发展迅猛，从巨型的房屋打印机到微型的纳米级细胞打印机，各种新技术层出不穷，但是目前主要还是集中在专业领域，民用市场还是以简单架构的FDM为主，无论效果还是精度都差强人意，我们期待着随着技术发展和成本降低，桌面级3D打印机也能够真正实现所见即所得的打印效果，那时候3D打印改变世界将不再是一个梦想。
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听许允大师讲“3D打印”技术——机械系举办“名师讲坛”系列活动
为充分发挥高职称、高技能教学名师对我系教师的示范引领作用，我系于4月27日(周三)下午4点，在1号教学楼1315教室举办了“名师讲坛”系列活动之——许允大师讲“3D打印”技术。机械系领导：主任索卫东、教务副主任许锋、教学副主任张亚标出席了此次活动。活动邀请了我院国务院津贴专家——许允大师为我们做报告，机械系全体教师参加了此次活动。
许允，1969年出生，中共党员，1987年参加工作，1989年至今担任钳工实训教学，一级实习指导教师，机修钳工高级技师，现任学院模具实训教研室主任，学院模具专业学科带头人，2013年获“享受国务院特殊津贴专家”称号，2004年9月荣获河南省首届职工技术运动会钳工状元、技术标兵。 2005年1月被授予“河南省技术能手称号”。2014年成立国家首批高技能人才大师工作室，丰富的教学经验和高超的技能水平，使其成为我院专业技术大师级的人物。
许允老师以两个与3D打印相关的视频开始此次讲座，从四个方面介绍3D打印技术：一、认识3D打印技术，介绍了3D打印技术的发展史、打印原理、打印技术优势等；二、3D打印技术目前几种主流工艺（SLA、LOM、SLS、SDM、3DP、FDM等）的原理、设备、发展优劣等介绍；三、3D打印技术的应用（SLA、LOM、SLS、3DP、FDM等）；四、3D打印技术（FDM工艺）的具体操作。
许老师扎实的学科知识，丰厚的理论积淀，严谨的工作作风，让所有参与活动的老师在轻松的研讨氛围中，对3D打印技术有了直观的认识与学习，受益匪浅。
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3D打印种类目前比较流行的3D打印技术种类主要包括SLA/DLP技术、FDM熔融层积成型技术、3DP 技术、SLS选区激光烧结 等。学3D打印上南极熊。?SLA/DLP技术?SLA 是&Stereo lithography Appearance&的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。 SLA 是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过 CAD 设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后 升降台下降一定距离， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。?SLA 技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分， SLA用原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。 SLA 技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。?DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的 数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术 速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。精细度指数★★★★★?硬度强度指数★?FDM熔融层积成型技术FDM即是Fused DepositionModeling，熔融挤出成型工艺的材料一般是热塑性材料，如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。这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额最大。精细度指数★★★★强度硬度指数★★★?3DP技术3DP即3D printing，采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上， 以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授于1989年申请了三维印刷技术（3DP）的专利。这是一种以陶瓷、金属等粉末为材料，通过粘合剂将每一层粉末粘合到一起，通过层层叠加而成型。1993年，粉末粘合成型工艺是实现全彩打印最好的工艺，使用石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等作为材料，是目前最为成熟的彩色3D打印技术。精细度指数★★★强度硬度指数★★★彩色指数★★★★★SLS选区激光烧结技术/SLMSLS选区激光烧结技术，即Selective Laser Sintering，和3DP技术相似，同样采用粉末为材料。所不同的是，这种粉末在激光照射高温条件下才能融化。喷粉装置先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，在采用激光照射，将需要成型模型的截面形状扫描，使粉末融化，被烧结部分粘合到一起。通过这种过程不断循环，粉末层层堆积，直到最后成型。SLS最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carlckard 于 1989 年在其硕士论文中提出的。后美国 DTM 公司于 1992 年推出了该工艺的商业化生产设备 Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和 DTM 公司在 SLS 领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的 EOS 公司在
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