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§3D打印技术解密（第3页）

（4）技术应用

该技术有较高的强度，精度约为0。13mm，可以制作成型的塑料零件，可用于教学、动漫、医学、建筑、仿古、工艺品、汽车等领域，也可以用于产品的设计、评估等多个环节。国内的FDM技术研发及制造风起云涌，已经有企业从事此项技术的研发与制造。这种情况虽然有利于该项技术的普及使用，但是也有过度竞争、重复投资的趋势和苗头。

5、选择性激光烧结成型（SLS）技术

1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C。R。Dechard提出选择性激光烧结工艺（SLS，　Selective　Laser　Sintering），他之后创建了DTM公司。1992年，该公司发布了Siion——一台基于SLS技术的商用3D打印机。DTM公司在SLS的研究领域投入大量精力，在材料开发、制作工艺、设备研制等方面都有出色的成果。德国EOS公司也开展SLS工艺的研究，已经推出一系列SLS技术的快速成型设备，并在2012年举办的欧洲模具展上吸引了众人的眼球。在中国，华中科技大学、中北大学、南京航空航天大学、北京隆源自动成型有限公司、武汉滨湖机电产业有限公司、湖南华曙高科等单位均对SLS工艺展开研究。

（1）技术原理

该工艺使用粉末状材料，在计算机的控制下，激光器扫描粉末，实现材料的烧结和粘合，从而使得多层材料堆积成型。如图2-13所示为SLS的成型原理。

该技术的工艺过程是，首先用压辊把粉末平铺到工件的表面，使用数控系统来控制激光束，沿着截面的轮廓，在薄层上扫描和照射，直到粉末融化、烧结和粘合。完成一层截面烧结之后，工作台下降一个层的厚度，重新开始新一轮的循环，直到工件完全成型。

（2）技术特点

SLS技术的优点是：①原材料种类多，包括聚碳酸酯、石蜡、纤细尼龙、尼龙、陶瓷、合成尼龙、金属等。只要粉末材料在加热时的粘度较低，就都可以作为SLS技术的原材料。SLS技术制造出的产品或者模型可以满足多种需求。和其他的技术相比，SLS技术可以制做金属原型或者模具，因此具有广阔的应用前景。②工艺简单。由于该技术可以选用粉末材料作为原材料，通过激光烧结，能够快速生产出具有复杂结构的产品原型或者模具，因此在工业产品的设计中应用比较广泛。③精度较高。精度受到粉末材料的种类、粉末颗粒的大小、模型的几何结构等影响。一般而言，其精度可以达到0。05mm～2。5mm之间。④不需要支撑结构。在层层叠加的过程中，没有烧制的粉末可以支撑悬空层面。⑤材料利用率高。SLS技术的材料利用率可以接近100%，这是因为其不需要支撑结构，也不需要基底支撑，而且粉末材料价格较低，所以制模成本低。⑥变形小。SLS技术制作出的工件翘曲变形较小，甚至不需要校正原型。

SLS技术的缺点是：①工作时间长。在加工之前，需要大约2小时，把粉末材料加热到粘结熔点的附近，在加工之后，需要大约5～10小时，等到工件冷却之后，才能从粉末缸里面取出原型制件。②后处理较复杂。SLS技术原型制件在加工过程中，是通过加热并融化粉末材料，实现逐层的粘结，因此制件的表面呈现出颗粒状，需要进行一定的后处理。③烧结过程会产生异味。高分子粉末材料在加热、融化等过程中，一般都会发出异味。④设备价格较高。为了保障工艺过程的安全性，在加工室里面充满了氮气，所以提高了设备成本。

（3）技术现状

当前，国际上的主流研究机构有：3D　Systems公司、EOS公司、DTM公司等，国内的主要研究机构有南京航空航天大学、华北工学院、华中科技大学和北京隆源公司等。

3D　Systems公司的Siion　HiQ设备，采用智能方法控制温度，缩短了后处理的时间，提高了制件的质量以及材料利用率。DTM公司是SLS技术原型材料的主要研发公司，每年都能推出很多新型粉末材料，使得制件具有更高的精度和表面光滑度。华中科技大学推出的HRPS-Ⅲ型成型机可以用于高分子粉末成型、HRPS-Ι型设备可以铸造中砂型，最近又推出一些新的机型，特点是拥有双送料桶，缩短了烧结时间。

（4）技术应用

材料的多样性使得SLS工艺能够制作多种零件，可以满足多种用途。例如：制作具有复杂结构的陶瓷零件，可以当成功能零件来使用；制作结构复杂的铸造用砂型或者熔模，可以辅助快速制造复杂的铸件；制作塑料的手机外壳，能够直接作为零件来使用，也可以用来验证结构或者进行功能测试。制件的精度可以达到±0。1mm，接近精密铸造的工艺水平，比模具和机加工的精度要低一些。图2-14为华中科技大学采用激光选区烧结成型技术打印的复杂零件。

6。三维打印成型（3DP）技术

1993年，美国麻省理工大学的Emanual　Sachs教授发明了三维印刷工艺（3DP）。该技术的工作原理和喷墨打印机的比较接近，与SLS工艺也比较相似，都是采用塑料、金属、陶瓷等粉末状材料。独特之处在于，3DP在处理粉末材料时，没有采用激光烧结的粘合方式，而是采用喷头喷射粘合剂，将工件的截面打印出来，再把一层层薄层堆积成型。如图2-15所示为3DP的技术原理。

（1）技术原理

在工作槽中，设备铺平粉末，按照指定的路径，喷头在指定区域中喷射液态粘合剂，不断循环以上步骤，直到工件成型，再去除多余的粉末材料。该技术具有非常快的成型速度，可以制造具有复杂结构的工件，也可以制造非均匀材质或复合材料的零件。

（2）技术特点

该技术具有较多的优点，首先是操作简单，过程清洁，可以作为计算机的外围设备，在办公环境中使用；其次是能使用很多种的粉末材料，以及各种颜色的粘结剂，从而制作出彩色的原型制件，使得该技术具有优越的竞争性；第三是不需要支撑结构，由于可以用多余粉末担当支撑作用，且多余粉末的清理也很方便，因此该技术适合做具有复杂的内部结构的原型制件；第四是成型速度快，半个小时左右就可以加工一个原型制件；第五是不需要使用激光器，所以设备价格较低。但是，该技术具有如下缺点，首先是表面粗糙、精度较低，因此不适合制作细节繁多或者结构复杂的制件，可用于制作一些概念模型；其次是因为采用喷射的方法，粘结剂的粘结能力受到限制，使得原型的强度不高，只能用于制作一些概念模型；最后是原材料比较贵。

（3）典型设备

目前，3DP打印技术方面的典型设备如表2-5所示。

（4）技术应用

该技术主要应用于工艺模型或者原型验证模型的快速制造，模型的颜色比其他技术要丰富，因此模型的可观性比较高，如图2-16所示。同时，因为整体的成本偏低，3DP技术在教学方面的应用比较广泛，制模精度约为±0。5mm，喷头的喷印精度影响着制模的精度。

7。其他新型的增材制造技术

这几年以来，国际国内在增材制造技术的理论和工艺方面，又有了一些新的突破，因此不断涌现出新型的材料、工艺和相关应用。以下举出一些新型的增材制造工艺。

（1）微纳尺度增材制造

图2-17为日本大阪大学制作的“纳米牛”，长10μm，高7μm。采用激光超短脉冲，在非常小的空间区域内，产生很高密度的光子，形成了双光子的吸收条件，使得材料发生了固化。这项技术有可能会在增材制造技术的加工尺度方面突破极限，促进增材制造技术的高端发展。

（2）低温沉积制造技术

清华大学在冰点以下挤出溶液进行沉积，制作出了具有400μm孔隙尺寸的微孔，由此开发了低温沉积制造技术。在低温的环境下，挤出溶液，使其发生热致相分离，之后溶剂和成型材料分离，冷冻，凝结，最终形成外观结构。在经过后续的冷冻和干燥，再把溶剂抽干，就可以制成微孔，制作孔隙尺寸约10μm。该技术为增材制造技术在制作多级分孔结构方面提供了参考，解决了结构强度和高孔隙率之间的矛盾。

（3）细胞三维结构增材制造

细胞立体喷印技术，是人们把制造科学的对象，从无生命的材料，转化为有生命的材料。清华大学提出的细胞三维受控组装技术，构建了分级结构明确的细胞三维结构体，基于纤维蛋白原和海藻酸钠水凝胶这两种基质材料体系，开发了分布复合交联工艺，实现了三维开放结构的成形制造。该技术已经成功受控组装了多种细胞，包括脂肪干细胞、心肌细胞、滋养细胞、内皮细胞、纤维细胞、软骨细胞和肝细胞等。部分示例如图2-18所示。

（4）高效增材制造的复合沉积

增材制造为了获得较高的成形精度，往往需要牺牲成形效率。成形效率较高的激光近净成形技术，也只能达到几千克小时的制造速度。喷射成形是20世纪60年代末提出的，是一种将液态金属雾化与熔滴沉积结合起来的近净成形技术，成形效率可达1th。但是，喷射成形的组织容易产生孔隙，导致密度不足，性能不稳定，极大限制了该项技术的发展与应用。最近，清华大学提出了一种将喷射成形和激光近净成形相结合的复合沉积成形（HDF，　Hybrid　Depositi）新设想，如图2-19所示。利用喷射成形的高效沉积，利用激光扫描重熔沉积层，可以消除孔隙，用以保证零件的高性能。

（5）金属微滴3D打印成形