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§3D打印技术解密（第2页）

第一步，将液态的光敏树脂盛满于液槽中，利用氩离子激光器或氦—镉激光器，将其发射出的紫外激光束，按照计算机的指令，根据三维实体分层截面后的二维数据，逐行逐点进行扫描，使得扫描区域的树脂薄层发生聚合反应，并固化为一个薄层。

第二步，完成一个薄层的固化后，工作台根据层厚移动到下一个薄层，在上一次固化好的树脂薄层上再叠加一个新的树脂薄层，用刮板刮平粘度较大的树脂液面，并对本层进行固化。由于液态树脂具有较高的粘性，使得其流动性不强，因此每个薄层固化以后的液面抚平需要的时间较长，影响了三维实体的成型精度。采用刮板刮平这一个环节，使得液态树脂均匀涂在叠层上，提高了成型精度和表面光滑度。

第三步，每个新固化的薄层，都将粘合在前一个薄层上。如此循环，直到所有叠层粘合完毕，最终得到完整的三维实体模型。

最后，当初步完成成型后，取出工件，清理掉多余的树脂和支撑结构，并采用紫外灯对工件进行二次固化。

（2）技术特点

SLA技术的主要优点有：①尺寸精度高，可以达到0。1mm以内，甚至0。05mm。②表面质量较好，尽管有时在固化阶段薄层的侧面或者曲面可能产生台阶，但是最终得到的实体模型的表面仍然类似玻璃状。③系统分辨率高，可以构建具有复杂结构的各种工件。④可以制作具有空中结构的消失模，该消失模可以用于熔模的精密铸造。

SLA技术的主要缺点有：①成型模件的尺寸稳定性不高，其原因是成型期间会有一些物理或者化学的变化，使得成型模件的硬度较低，薄弱部位甚至产生变形，严重影响了尺寸精度。②还需要具备支撑结构，在成型模件没有完全固化以前，需要手工取出支撑结构，这很容易造成对表面精度的损坏。③设备运营成本高，由于需要定期对激光器等元件进行维护和校对，且激光器和液态树脂材料的价格也比较高，因此设备运营成本高。④能够使用的材料种类不多，当前使用的材料主要是感光性液态树脂，因此，SLA模件在多数情况下不能够进行热量、抗力等测试。⑤液态树脂材料有毒性，有气味，因此需要将其放在避光位置，避免聚合反应提前发生。⑥需要对成型制件进行二次固化，通常情况下，SLA成型制件还需要二次固化，这是因为首次固化后的树脂制件并没有被激光完全固化。⑦不方便对SLA成型模件进行机械加工，由于液态树脂材料较脆，并且容易断裂，因此难以对其进行机械加工。

（3）技术现状

SLA技术主要用于小型和中型制件的加工，可以直接得到与塑料类似的产品。当前，该技术现状主要存在以下问题：①费用。费用昂贵是SLA技术的最大问题，严重限制了技术的广泛应用。在国外，一套SLA成型设备的价格约为30万～80万美元。同时，氖离子激光器、氦-镉激光器的价格约为2万～4万美元。设备的运行费用最低为每小时200美元。所以，降低SLA技术设备的成本，是当前最紧迫的问题。②材料。湿气的侵蚀使得SLA制件很容易产生膨胀，并且抗腐蚀能力也有限。③工艺原理与数据处理。SLA增材制造技术的关键是三维CAD数据模型。改进CAD系统的数据分析和造型性能，是提高制模精度的重点问题。SLA成型技术的原型文件为STL文件，该文件的三维CAD模型表面用很多小三角形来近似处理，很容易造成数据丢失现象，应该深入研究如何优化STL模型分层，使得模型的截面轮廓更加精确。另外，设计精确、合理的支撑结构，也能够改善制模精度。

（4）技术应用

SLA技术的应用范围体现在艺术、生物医学、航空航天、大众消费、工业制造等方面，用于实现高精度、高复杂度结构零件的快速制造，其精度能够达到±0。05mm，基本接近传统的模具水平，但是比机械加工的精度略低。图2-8为西安交通大学的光固化成型设备和利用该技术打印的建筑模型。

3。分层实体成型（LOM）技术

1991年，分层实体成型工艺技术问世。其使用材料主要是廉价且具有高成型精度的纸材、PVC薄膜等，因此被广泛关注。该技术在熔模铸造、造型设计评估、产品概念设计可视化、装配检验等领域被广泛应用。

（1）技术原理

如图2-9所示，分层实体成型系统主要由原材料存储与运送部件、计算机、激光切系统、可升降工作台、热粘压部件等组成。

原材料存储与运送部件主要用来把底部涂有粘合剂的原材料输送到工作台的上方。计算机主要用来接收并且存储来自沿着成型工件的高度方向提取的很多个截面轮廓组成的三维模型数据。激光切割器对薄膜进行切割。升降工作台可以支撑成型之后的工件，在每层成型之后，可升降工作台将其降低一个材料厚度，这样就可以接受新一层的材料。热粘压部件把各层成型区域的薄膜进行粘合，不断重复以上步骤，最终完成工件的成型。

（2）技术特点

该技术的优点比较明显：首先是制件精度高，在薄型材料的切割成型中，纸材一直都是固态，仅有一层薄薄的胶从固态变化为熔融态。所以，LOM制件没有内应力，而且翘曲变形小。在X方向和Y方向的精度是0。1-0。2mm，在Z方向的精度是0。2-0。3mm。其次是制件硬度高，力学性能良好，该技术的制件可以进行多种切削加工，并承受高达200度的温度。第三是成型速度较快，该技术不需要对整个断面进行扫描，而是沿着工件的轮廓由激光束进行切割，使得其具有较快的成型速度，因此可以用于结构复杂度较低的大型零件的加工。第四是支撑结构不需要额外设计和加工。第五是成型过程中的废料、余料很容易去掉。第六是不需要进行后固化处理。

该技术的主要缺点有：第一，材料利用率低，无用的空间均成为废料，丧失了增材制造的最大优越性；第二，制件原型的抗拉强度和弹性都比较差，且无法直接制作塑料原型；第三，需要对制件原型进行防潮后处理，这是因为其原材料为纸材，在潮湿环境下容易膨胀，所以可以考虑用树脂对制件进行喷涂，防止制件遇潮膨胀；第四，制件原型还需要进行一些后处理，该技术制作出的原型具有像台阶一样的纹路，因此只能制作一些结构比较简单的零件，如果需要用该技术制作复杂的造型，那么需要在成型后，对制件的表面进行打磨、抛光等。

（3）技术现状

当前，从事该项技术研究的主要单位包括清华大学、华中科技大学、汉能清源（Hinergy）公司等。清华大学的S**系列成型设备，与国产CO2激光器配合，加工的制件具有较高的精度。华中科技大学的HBP-Ⅲ、AHRP-ⅡB等产品具有不错的性价比，其叠层的厚度是0。08-0。15mm，　HBP-Ⅲ的成型空间是600mm×400mm×500mm，　AHRP-ⅡB的成型空间是450mm×350mm×350mm。Helisys公司不仅具有纸材设备，还拥有处理复合材料和塑料的设备，其纸材设备包括LPH、LPS和LPF三个系列。

（4）技术应用

该技术的主要原型材料是纸材，同时还可以处理陶瓷片、金属和塑料薄膜等。其制作出的复杂结构可以验证新产品的外形，或者与图层结合在一起，制作快速模具。其制作出的纸质模具，和木模的性能比较接近，经过表面处理以后，精度可以达到±0。5mm，甚至接近精密铸造的水平，比一般的模具工艺和机加工的精度要低，可以用于砂型铸造。图2-10为华中科技大学利用分层实体成型技术打印的复杂零件。

4、熔融沉积成型（FDM）技术

在SLA和LOM工艺之后，于1988年诞生的熔融沉积成型工艺成为第三种增材制造技术。这项技术是由Sp发明的，他随后就创建了Stratasys公司，并于1992年推出了“3D造型者（3D　Modeler）”——全球首台基于熔融沉积成型工艺的3D打印机。由此，FDM技术开始进入商业化的阶段。FDM技术的成型材料价格低廉、且不需要激光系统，因此性价比较高，成为多数开源桌面3D打印机采用的主要技术方案。

在我国，清华大学和北京大学等高校、北京殷华公司和中科院广州电子技术有限公司等企业，都率先引进并研究FDM技术。

（1）技术原理

熔融沉积还可以被命名为熔丝沉积。其原材料为丝状的热熔性材料，采用喷嘴微细的挤出机沿着X轴挤出材料，工作台沿着Y轴和Z轴移动，当熔融的丝材被挤出来以后，就会和上一层的材料粘结起来。在一层材料沉积之后，工作台会按照预先设定好的增量值，下降一个层厚，不断重复以上步骤，由此完成制件的成型。图2-11为FDM的详细技术原理。

热熔性丝材的主要材料是PLA或ABS材料，先把材料缠绕在供料辊的上面，再由步进电机来驱动辊子，在主动辊和从动辊制件的摩擦力下，丝材从挤出机的喷头被送出。同时，在喷头和供料辊制件之外，还有一个由低摩擦力制成的导向套，使得丝材可以成功到达喷头内腔。

在喷头的上方，还有电阻丝式加热器，将丝材加热到熔融状态之后，再从挤出机挤压到工作台，等冷却之后，形成制模工件的截面轮廓。

当工件原型具有悬空结构时，需要支撑结构作为支撑。为提高工作效率，降低成本，新开发的FDM设备，拥有两个喷头，分别负责挤出支撑材料和成型材料。

（2）技术特点

FDM技术的优点是：①成型材料广泛。FDM技术所用材料多种多样，主要有ABS、石蜡、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等低熔点材料，以及低熔点金属、陶瓷等丝材，可用于直接制作金属或其他材料的模型制件或制造ABS塑料、蜡、尼龙等零部件。②成本相对较低。由于FDM技术的熔融加热装置代替了激光器，因此相比其他使用激光器的快速成型技术，其制作费用大大降低。此外，原材料的利用率较高且无污染，成型过程无化学变化，使其成型成本大大降低。③后处理简单，支撑结构容易剥离，特别是模型制件的翘曲变形较小，原型经简单的支撑剥离后即可使用。

该技术的主要缺点是：①只能制作小型或中型的模型制件，并且制件的表面具有明显的条纹。②纵向强度较低，这是因为丝束在一层一层铺覆时处于熔融状态，导致截面轮廓的粘结力较低。③成型速度较慢，由于需要扫描和铺覆整个轮廓截面，同时还需要设计和制作支撑结构，导致需要较长的成型时间。为此，可以设计出双喷头设备，同时铺覆成型材料和支撑材料，或者增加层厚。

（3）技术现状

FDM技术的一个研究重点是材料性能，这几年研制出来的PPSF、PCABS、PC等材料，具有良好的强度，甚至超过普通塑料零件的强度，被用于一些特定场所的零件试用、维修、替换等。近年金属材料已经成为FDM技术原型材料的一个新的研究领域，被很多公司所重视。图2-12为清华大学采用熔融沉积成型技术打印的塑料零件。