3D 打印技术概述

3D 打印极大地简化了原型制作，因此创新者和发明家现在可以轻松制作他们想法的原型。设计和制造过程已经从原先的几周减少到目前的几个小时，可以最大限度地降低生产成本并提高制造业的整体效率。目前，这项技术被用于多种应用领域，如建筑、医学、电子、汽车和航空航天等。

AM根据所用材料和加工过程被分为七类：熔融挤出、光固化、选择性激光烧结、粘合剂喷射、片材层压、材料喷射和定向能量沉积。以下将围绕不同增材制造技术展开介绍。

聚合物 3D 打印处理原则

不同的增材制造技术以及相应的材料和加工机理，决定了聚合物 3D 打印的处理原则。该过程从绘制三维模型开始，然后将模型切片并保存为 STL 文件格式，接着将切片文件发送到 3D 打印机，打印机将在另一层之上打印一层，从而在此过程中形成一个三维物体，最后根据应用需求进行一些后处理，包括固化、退火、涂漆或其他。

熔融沉积（FDM）

1. 打印原理：熔融沉积采用热塑性聚合物的长丝来进行原型的 3D 打印。聚合物线材在喷嘴处被加热以达到半液态，然后在平台上或先前印刷的层上被挤出。聚合物线材的热塑性是此方法的基本特性，线材在打印过程中融合在一起，打印后在室温下固化。
2. 加工参数：打印层厚、走线宽度、取向以及间隙(在同一层内或层间)是影响打印部件机械性能的主要加工参数。
3. 优缺点：
   • 优点：低成本、高速和工艺简单是 FDM 的主要优点。
   • 缺点：机械性能较弱、表面质量较差，这是因为层间粘合力较弱，易发生层间变形；其次用于 FDM 的热塑性聚合物材料数量有限。
4. 常见材料：常见的用于 FDM 的工程热塑性塑料包括 ABS 树脂、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA）等。
5. 发展改进：人们使用 FDM 开发高性能工程热塑性塑料和纤维增强复合材料，如 PEEK、CF/PEEK 等，以此来增强 3D 打印部件的机械性能并拓展材料种类。然而，纤维取向、纤维与基体之间的粘合以及空隙形成是 3D 打印复合材料零件的主要挑战。

立体光刻（SLA）

1. 打印原理：立体光刻(SLA)是以可光固化树脂（通常含有丙烯酸单体）为原料进行打印，通过将其暴露在特定波长的紫外（UV）光下，使暴露的 2D 图案树脂层通过称为光聚合的过程变为固体。紫外激光器以规定的路径在树脂中发射激光，然后这些树脂聚合成二维图案层。在每一层固化后，平台降低，另一层未固化的树脂准备形成图案。
2. 质量影响因素：
   • 聚合反应：聚合过程中发生的固化反应对于最终印刷部件的质量至关重要，可以通过在树脂中加入光引发剂和紫外线吸收剂来调节聚合程度。
   • 打印参数：激光功率、扫描速度和紫外曝光时间也会影响打印制件质量。
3. 优缺点：
   • 优点：与现有 3D 打印技术相比，SLA 的主要优势之一是其高分辨率打印，这取决于应用的光子数量。通常发射一个光子来触发聚合，作为局部聚合引发的效果，可以实现高于 100μm 的分辨率。采用 Formlabs Form2 SLA 3D 打印机可以实现 25μm 的层厚(即分辨率)打印。通过如此高分辨率的打印，可以创建复杂对象。由于 SLA 不使用任何喷嘴，因此不会出现堵塞问题。
   • 缺点：由于成本高昂，建立基于 SLA 的增材制造系统阻碍了其发展为主要制造行业。

数字光处理（DLP）

1. 与 SLA 的异同：数字光处理（DLP）是另一种与 SLA 非常相似的光聚合技术，不同之处在于它不是使用扫描激光束来固化单层树脂，而是投射数字掩模来创建图案。SLA 的分辨率可以由激光产生的光斑尺寸来决定，由于 DLP 使用投影的数字图像，因此表征其分辨率的是像素大小。
2. 优缺点：
   • 优点：从技术上讲，与 SLA 相比，DLP 可以用更短的时间打印物体，因为每一层都通过投影图案一次完全曝光，而不是通过激光扫描。这对于同时打印具有较少细节的多个大型制件是有利的。
   • 缺点：当打印具有较小细节的模型时，需要将光线聚焦在构建平台的特定区域的投影镜头，以保持打印分辨率，此时 SLA 通常可以实现比 DLP 更高的分辨率和更好的表面光洁度。
3. 材料应用：目前通过光固化 3D 打印可以实现环氧丙烯酸树脂、聚氨酯丙烯酸树脂和聚酰亚胺等树脂材料的精密制造。与 FDM 相比，这种技术不会产生层间粘合较弱的问题。

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