安博体育官网登陆入口.7大类主流的3D打印技术一文全部看懂
发布时间:2024-03-02 06:47:12 来源:安博体育官网登陆 作者:安博体育官网
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  有许多人认为3D打印就是从热喷嘴中挤出材料并堆叠成形状,但其实3D打印远不止于此!今天南极熊将介绍七大类3D打印工艺,即使是3D打印小白也能清晰地区分不同的3D打印工艺。

  事实上,3D 打印也称为增材制造,是一个总称,涵盖了几种截然不同的 3D 打印工艺。这些技术是天壤之别,但关键过程是相同的。例如,所有 3D 打印都从数字模型开始,因为该技术本质上是数字化的。零件或产品最初是使用计算机辅助设计 (CAD) 软件设计或从数字零件库获取的电子文件。然后设计文件通过特殊的构建准备软件将其分解成切片或层以进行 3D 打印,生成3D打印机要遵循的路径指令。接下来您将了解这些技术之间的区别以及每种技术的典型用途。

  增材制造的类型可以根据它们生产的产品或使用的材料类型来划分,国际标准组织 (ISO) 将其分为七种一般类型(但这七个3D打印类别也难以涵盖越来越多的技术子类型和混合技术)。:

  材料挤出顾名思义:材料通过喷嘴挤出。通常情况下,这种材料是一种塑料细丝,通过一个加热的喷嘴进行熔化和挤出。打印机沿着通过软件得到的工艺路径将材料放置在构建平台上。然后灯丝冷却并凝固形成固体物体。这是最常见的 3D 打印形式。乍一看这听起来很简单,但考虑到挤出的材料,包括塑料、金属、混凝土、生物凝胶和各种食品,这其实是一个非常广泛的类别。这种类型的 3D 打印机价格从100美元到七位数不等。

  ●材料挤出的子类型:熔融沉积建模 (FDM)、建筑 3D 打印、微型 3D 打印、生物 3D 打印

  FDM 3D 打印机是一个价值数十亿美元的市场,拥有数以千计的机器,从基本型号到制造商的复杂型号。FDM机器被称为熔丝制造 (FFF),这是完全相同的技术。与所有 3D 打印技术一样,FDM 从数字模型开始,然后将其转换为3D打印机可以遵循的路径。使用 FDM,将线轴上的一根(或一次几根)灯丝装入 3D 打印机,然后送入挤出头中的打印机喷嘴。打印机喷嘴或多个喷嘴被加热到所需温度,使灯丝软化,从而使连续的层连接起来形成一个坚固的部件。

  当打印机沿 XY 平面上的指定坐标移动挤出头时,它会继续铺设第一层。然后挤出头上升到下一个高度(Z 平面),重复打印横截面的过程,一层一层地构建,直到物体完全成型。根据对象的几何形状,有时需要添加支撑结构以在打印时支撑模型,例如,如果模型具有陡峭的悬垂部分。这些支撑在打印后被移除。一些支撑结构材料可以溶解在水或另一种溶液中。

  △FDM 3D 打印机为业余爱好者、小型企业和制造商提供范围广泛的机器(来源:Creality、Raise3D、Stratasys)

  3D 生物打印或生物 3D 打印是一种增材制造工艺,其中将有机或生物材料(例如活细胞和营养素)结合起来以创建类似组织的天然三维结构。换句线D打印,可以生产从骨骼组织和血管到活组织的任何东西。它用于各种医学研究和应用,包括组织工程、药物测试和开发,以及创新的再生医学疗法。3D 生物打印的实际定义仍在不断发展。从本质上讲,3D 生物打印的工作原理与 FDM 3D 打印类似,并且属于材料挤出系列。(尽管挤出并不是唯一的生物打印方法)

  3D 生物打印使用从针排出的材料(生物墨水)来创建打印层。这些被称为生物墨水的材料主要由活物质组成,例如载体材料中的细胞——如胶原蛋白、明胶、透明质酸、蚕丝、海藻酸盐或纳米纤维素,充当结构生长和营养物质的分子支架,提供支持。

  建筑 3D 打印是一个快速发展的材料挤出领域。该技术涉及使用超大型 3D 打印机(通常高达数十米)从喷嘴中挤出混凝土等建筑材料。这些机器通常以龙门架或机械臂系统的形式出现。3D建筑打印技术如今用于住宅、建筑特色以及从水井到墙壁的建筑项目。有研究者表示,它有可能显着改变整个建筑行业,因为它减少了劳动力需求并减少了建筑垃圾。

  美国和欧洲有数十座 3D 打印房屋,并且正在研究开发 3D 建筑技术,该技术将使用在月球和火星上发现的材料为未来的探险队建造栖息地。用当地土壤代替混凝土打印作为一种更可持续的建筑方法也受到关注。

  桶聚合(也称为树脂 3D 打印)是一系列 3D 打印工艺,它使用光源在桶中选择性地固化(或硬化)光敏聚合物树脂。换句话说,光线精确地指向液体塑料的特定点或区域以使其硬化。第一层固化后,构建平台将向上或向下移动(取决于打印机)少量(通常在 0.01 和 0.05 毫米之间),下一层固化,与前一层连接。逐层重复此过程,直到形成 3D 部件。3D 打印过程完成后,清洁物体以去除剩余的液态树脂并进行后固化(在阳光下或紫外线室中)以增强部件的机械性能。

  三种最常见的桶聚合形式是立体光刻 (SLA)、数字光处理 (DLP)和液晶显示器 (LCD),也称为掩模立体光刻 (MSLA)。这些类型的 3D 打印技术之间的根本区别在于光源及其用于固化树脂的方式。

  一些 3D 打印机制造商,尤其是那些制造专业级 3D 打印机的制造商,已经开发出独特且获得专利的 光聚合变体,因此您可能会在市场上看到不同的技术名称。一家工业 3D 打印机制造商 Carbon 使用一种称为数字光合成(DLS) 的桶聚合技术,Stratasys 的 Origin 称其技术为可编程光聚合(P3),Formlabs 提供其称为低力立体光刻(LFS) 的技术,而 Azul 3D 是第一个将大面积快速打印(HARP) 形式的大桶聚合商业化。还有基于光刻的金属制造 (LMM)、投影微立体光刻(PμSL) 和数字复合材料制造(DCM),这是一种填充光聚合物技术,可将功能性添加剂(例如金属和陶瓷纤维)引入液体树脂中。

  ●3D 打印技术的类型:立体光刻 (SLA)、液晶显示器 (LCD)、数字光处理 (DLP)、微立体光刻 (μSLA) 等。

  SLA是世界上第一个3D打印技术。立体光刻技术由查克·赫尔 (Chuck Hull) 于 1986 年发明,他为该技术申请了专利,并成立了 3D Systems 公司以将其商业化。如今,该技术可供来自众多 3D 打印机制造商的爱好者和专业人士使用。SLA使用激激光束对准一桶树脂,选择性地固化打印区域内物体的横截面,逐层建造。当大多数 SLA 打印机使用固态激光来固化部件。这种桶聚合的一个缺点是,与我们的下一种方法 (DLP) 相比,点激光可能需要更长的时间来追踪物体的横截面,后者会闪烁光线以立即硬化整个层。然而,激光可以产生更强的光,这是某些工程级树脂所需要的。

  微立体光刻技术可以打印微型部件,分辨率在 2 微米 (μm) 到 50 微米之间。作为参考,人类头发的平均宽度为 75 微米。它是“微型 3D 打印”技术之一。μSLA 涉及将感光材料(液态树脂)暴露在紫外激光下。不同之处在于专用树脂、激光的复杂性以及透镜的添加,它们会产生几乎令人难以置信的小光点。

  另一种微型3D打印技术TPP(也称为2PP)可以归为SLA,因为它也使用激光和光敏树脂,它可以打印比 μSLA 更小的部件,小至 0.1 微米。TPP使用脉冲飞秒激光聚焦到一大桶特殊树脂中的一个狭窄点。然后使用该点固化树脂中的单个3D像素,也称为体素。通过在预定义的路径中逐层依次固化这些纳米级到微米级的小体素。TPP 目前用于研究、医疗应用和微型零件的制造,例如微型电极和光学传感器。

  DLP 3D 打印使用数字光投射器(而不是激光)在一层或树脂上同时闪烁每一层的单个图像(或为较大的部件多次曝光)。DLP(比 SLA 更常见)用于在单个批次中生产更大的零件或更大体积的零件,因为无论构建中有多少零件,每一层曝光都需要完全相同的时间,比SLA 中的点激光方法效率更高。每一层的图像都由正方形像素组成,导致一层由称为体素的小矩形块形成。使用发光二极管 (LED) 屏幕或 UV 光源(灯)将光投射到树脂上,并通过数字微镜设备 (DMD) 将光投射到构建表面。

  现代 DLP 投影仪通常有数千个微米大小的 LED 作为光源。它们的开关状态是单独控制的,可以提高 XY 分辨率。并不是所有的 DLP 3D 打印机都是一样的,光源的功率、它通过的镜头、DMD 的质量以及构成一台价值 300 美元的机器的许多其他零部件都有很大的不同与超过 200,000 美元的机器相比。

  一些 DLP 3D 打印机的光源安装在打印机的顶部,向下照射到树脂桶上,而不是向上照射。这些“自上而下”的机器从顶部闪现一层图像,一次固化一层,然后将固化层放回大桶中。每次降低构建板时,安装在大桶顶部的重涂机都会在树脂上来回移动以整平新层。制造商表示,由于打印过程不会对抗重力,因此这种方法可以为较大的打印件产生更稳定的零件输出。自下而上打印时,可以从构建板上垂直悬挂多少重量是有限制的。树脂桶还在打印时支撑打印件,减少了对支撑结构的需求。

  △BMF 的 MicroArch S230 可以打印小至 2 微米的聚合物或陶瓷的详细部件(来源:BMF)

  作为一种独特类型的桶聚合本身,将PμSL 归为 DLP 的子类别。这是另一种微型3D打印技术。PμSL 使用来自投影仪的紫外线 微米层高)的特殊配方树脂层。这种增材制造技术因其低成本、准确性、速度以及可使用的材料范围(包括聚合物、生物材料和陶瓷)而不断发展。它已显示出从微流体和组织工程到微光学和生物医学微型设备的应用潜力。

  这是DLP的另一个”远亲“,这种使用光和树脂进行3D打印的方法可以为手术工具和微机械零件等应用创建微小的金属零件。在 LMM 中,金属粉末均匀分散在光敏树脂中,然后通过投影仪用蓝光曝光进行选择性聚合。打印后,素坯部件的聚合物成分被去除,留下全金属的脱脂部件,这些部件在熔炉中的烧结过程中完成。原料包括不锈钢、钛、钨、黄铜、铜、银和金。

  液晶显示器 (LCD),也称为掩模立体光刻 (MSLA),与上述 DLP 非常相似,不同之处在于它使用 LCD 屏幕而不是数字微镜设备 (DMD),这对 3D 打印机的价格有显着影响。与 DLP 一样,LCD 光掩模是数字显示的,由方形像素组成。LCD 光掩模的像素大小决定了打印的粒度。因此,XY 精度是固定的,不依赖于镜头的变焦或缩放程度,就像 DLP 的情况一样。DLP 的打印机和 LCD 技术之间的另一个区别是,后者使用数百个单独发射器的阵列,而不是像激光二极管或 DLP 灯泡那样的单点发射光源。

  与 DLP 类似,LCD 在某些条件下可以实现比 SLA 更快的打印时间。这是因为整个层一次曝光,而不是用激光点追踪横截面积。由于 LCD 单元成本低,这项技术已成为低价桌面树脂打印机领域的首选技术,但这并不意味着它没有得到专业使用,一些工业 3D 打印机制造商正在极限并取得令人瞩目的成果。

  粉末床融合 (PBF) 是一种3D打印工艺,其中热能源选择性地熔化构建区域内的粉末颗粒(塑料、金属或陶瓷),以逐层创建固体物体。粉末床融合 3D 打印机在打印床上散布一层薄薄的粉末材料,通常使用一种刀片、滚筒或擦拭器。来自激光的能量融合粉末层上的特定点,然后沉积另一个粉末层并融合到前一层。重复该过程,直到制造出整个物体,最终产品由未融合的粉末包裹和支撑。

  PBF 可以制造具有高机械性能(包括强度、耐磨性和耐用性)的部件,用于消费品、机械和工具的最终用途。该细分市场中的3D打印机越来越便宜(起价在 25,000 美元左右。