铭记于心 - @JessFraz

2020年10月14日
第18卷，第4期

铭记于心

异乎寻常的增材制造

从小玩意到火箭，3D打印呈现多种形式。

Jessie Frazelle

流行文化使用3D打印一词作为增材制造工艺的同义词。2010年，ASTM（美国材料与试验协会）小组，ASTM F42 — 增材制造，提出了一套标准，将增材制造工艺分为七类（astm.org）。每种工艺使用不同的材料和机器技术，这会影响用例和应用，以及经济性。为了购买最好的3D打印机，我深入研究了各种工艺。您可以在我的博客 (jessfraz.com) 上阅读我的评论。在本文中，我将分享我了解到的关于每种工艺的一些知识，以及在此过程中发现的一些更有趣的用例。

增材制造有各种各样的用例，从小玩意、珠宝、复杂系统的金属零件，到建造船⁷或火箭进入太空等巨大的、令人兴奋的东西。是的，你没看错，Relativity Space 和 Launcher Space 都在使用增材制造来制造将卫星（或其他货物）发射到太空的火箭。Relativity Space 甚至为此目的建造了自己的增材制造机器，名为 Stargate（relativityspace.com），而 Launcher 则与其发动机 E-2 合作，与增材制造定制机器公司 (amcm.com) 合作（launcherspace.com）。

看到增材制造工艺如此大规模和多样化的用例，真是令人惊叹。通过使用增材制造，公司和个人可以比与第三方制造合作伙伴合作更快地从想法变为现实。所有不同工艺的差异化使得可以选择最适合您想要创造的工艺。让我们继续深入研究每种工艺！

材料挤出

材料挤出是最常见的且成本最低的3D打印技术类型。它代表了全球最大的3D打印机装机量。在材料挤出中，通过熔化和挤出热塑性聚合物丝材，并按照预定的路径逐层构建物体。想象一下只使用一管牙膏来构建物体。您可以通过将牙膏层叠在彼此之上来缓慢地构建物体的壁。材料挤出的工作方式类似。

材料挤出最常见的应用是电气外壳、形状和配合测试、夹具和固定装置以及熔模铸造模型。材料挤出常用的技术被称为熔融沉积建模或FDM（lboro.ac.uk）。

熔融沉积建模

FDM，也称为FFF（熔丝制造），可与各种标准热塑性丝材一起使用，例如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、PLA（聚乳酸）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、TPU（热塑性聚氨酯）、尼龙及其各种混合物。

FDM的工作方式如下

1. 首先，将一卷热塑性丝材装入打印机。一旦喷嘴加热到正确的温度，丝材就被送到挤出头并进入喷嘴，在那里熔化。

2. 然后，挤出头连接到三轴系统，使其能够在 X、Y 和 Z 维度上移动。熔化的材料以细丝的形式挤出，并逐层沉积在预定的位置，在那里冷却并凝固。如果设备支持，可以使用连接到挤出头的风扇来加速冷却过程。

3. 填充区域需要多次通过，类似于用记号笔着色。当一层完成时，构建平台向下移动或挤出头向上移动，具体取决于设备，然后沉积新的一层。重复此过程，直到物体完成。

除非经过平滑处理，否则此过程往往会导致 FDM 物体具有可见的层线，并且可能在复杂特征周围显示不准确性。牙膏类比在这里也适用，因为它也会有可见的层线。

虽然 FDM 传统上用于塑料，但 Markforged 将 FDM 和 MIM（金属注射成型）结合用于其 Metal X 打印机（markforged.com）。这些机器可以打印金属和碳纤维零件。它们使用两种丝材材料——结合的金属粉末丝材和陶瓷释放材料——在材料挤出过程中创建零件。然后清洗零件以分解聚合物粘合材料。最后，零件通过烧结从轻度结合的金属粉末零件转变为完整的金属零件。每个步骤都使用不同的机器，并且零件需要支撑，支撑结构可以支撑零件并为被打印的物体提供强度和抵抗重力等力。这表明您不受给定工艺的束缚，而是可以使用这些工艺中的每一个工艺的各个方面来实现给定的用例。Markforged 声称其工艺比使用松散金属粉末更安全、更具成本效益（markforged.com）。

光固化成型

光固化成型是增材技术用于逐层构建物体的常用方法。当光敏聚合物树脂暴露于特定波长的光时，会发生光固化，从而引起使其变成固体的化学反应。Vat 指的是在料槽中重复诱导这种化学反应以创建固体物体。

料槽聚合工艺非常擅长生产具有精细细节和光滑表面光洁度的物体。这使其非常适合珠宝、小批量注塑成型、牙科应用以及医疗应用，例如助听器。料槽聚合的主要限制是所生产物体的脆性。因此，它不适用于机械零件（lboro.ac.uk）。

立体光刻

SLA（立体光刻）是世界上最早的3D打印技术之一，由 Charles Hull 于 1984 年发明。³ SLA 3D 打印机使用激光将液体树脂固化成硬化塑料。

SLA 机器有两种主要设置：自上而下和自下而上。这些是指激光和零件在打印时的方向。每种方法都有优点和缺点，具体取决于用例。

在自上而下的设置中，激光源在料槽上方，零件向上构建。构建平台从树脂槽的最顶部开始，并在每层之后向下移动。自上而下的机器可以处理非常大的构建尺寸，并且比自下而上的机器更快，但成本更高，并且需要专家操作。还要记住，在自上而下方向的打印机中更换材料需要清空整个料槽，这可能既耗时又效率低下。

在自下而上的机器中，光源来自树脂槽下方，零件倒置构建。料槽具有透明底部，带有硅酮涂层，允许激光的光线通过，但防止固化的树脂粘附在其上。在每一层之后，固化的树脂从料槽底部脱离，因为构建平台向上移动。这被称为剥离步骤。自下而上的机器成本较低且更广泛可用，但与自上而下的设置相比，构建尺寸和材料范围更小。自下而上还需要更多的后处理，这是大量使用支撑的结果。⁸

SLA 工艺遵循以下步骤

1. 首先，将液体光敏聚合物填充到料槽或容器中。

2. 将集中的紫外线束或激光束聚焦到料槽或容器的表面上。光束或激光通过交联或通过在特定位置降解聚合物来创建所需 3D 物体的每一层。重复此步骤逐层进行，直到 3D 物体构建完成。

SLA 物体具有高分辨率和精度、清晰的细节以及光滑的表面光洁度。SLA 用途广泛，可以应用于许多不同的用例，因为光敏聚合物树脂配方具有广泛的光学、机械和热性能，可以匹配标准、工程和工业热塑性塑料的性能。

Formlabs (formlabs.com) 对其 3D 打印机采用自下而上的方向。台式 3D 打印机通常采用这种方法。

直接光处理

DLP（直接光处理）几乎与 SLA 相同，不同之处在于它使用数字光投影仪屏幕一次性闪烁每一层的单个图像。由于投影仪是数字屏幕，因此每一层都由称为体素的方形像素组成。在某种程度上，它类似于 SLA 的八位祖先，就像八位图纸具有更清晰的单个方形像素一样。由于每一层都是一次性曝光的，因此与 SLA 相比，DLP 可以具有更快的打印时间，SLA 是分横截面固化层的。⁴

连续直接光处理

CDLP（连续直接光处理），也称为 CLIP（连续液体界面生产），以与 DLP 相同的方式生产物体，但依赖于 Z 轴上构建平台的连续运动。这导致更快的构建时间，因为打印机不需要在每层生产后停止并将零件与构建平台分离。

粉末床熔融

PBF（粉末床熔融）技术使用热源来生产固体零件，该热源会诱导塑料或金属粉末颗粒之间逐层进行熔合、烧结或熔化。大多数 PBF 技术都具有用于在零件构建时铺展和平滑薄粉末层的机制，从而使最终组件在构建完成后被粉末封装。最常见的应用是功能性物体、复杂管道（空心设计）和小批量零件生产。

PBF 技术的主要变化来自不同的能量来源，例如激光或电子束，以及工艺中使用的粉末，例如塑料或金属。基于聚合物的 PBF 技术允许创新，因为不需要支撑结构。这使得创建具有复杂几何形状的物体更容易。

金属和塑料 PBF 物体通常都很坚固且刚硬，其机械性能与本体材料相当，有时甚至优于本体材料。有多种后处理方法可用于使物体具有非常光滑的表面光洁度。因此，PBF 通常用于制造航空航天、汽车、医疗和牙科行业的功能性金属零件。

PBF 的局限性往往是表面粗糙度和加工过程中的收缩或变形，以及粉末处理和处置带来的挑战（lboro.ac.uk）。

选择性激光烧结

SLS（选择性激光烧结）是工业应用中最常见的增材制造技术。该技术起源于 1980 年代后期在德克萨斯大学奥斯汀分校。⁶ SLS 3D 打印机使用高功率 CO₂ 激光器来熔合聚合物粉末的微小颗粒。

SLS 工艺遵循以下步骤

1. 首先，床中装满粉末。

2. 然后将打印机内部加热到接近粉末熔点的温度。这使得激光能够有效地完成热量开始的工作，并烧结或聚结粉末材料以创建固体结构。重复此步骤，逐层进行，直到物体完成。

3. 最后，将仍然包裹在松散粉末中的物体用刷子和加压空气清洁。

与 SLA 和 FDM 相比，SLS 不需要物体具有支撑结构。这是因为未熔化的粉末在打印过程中支撑零件。这使得 SLS 非常适合具有复杂几何形状的物体，包括内部特征、底切和负特征。使用 SLS 打印生产的零件通常具有优异的机械特性，这意味着它们非常坚固。无法打印薄壁物体，因为最小厚度限制为 1 毫米，并且大型模型中的薄壁可能会在冷却后变形。

选择性激光烧结最常用的材料是聚酰胺（尼龙），一种流行的工程热塑性塑料，具有出色的机械性能。尼龙重量轻、强度高、柔韧性好，并且对冲击、化学品、热、紫外线、水和污垢稳定。也可以使用铝粉和聚酰胺的混合物 Alumide 以及类似橡胶的材料。

零件的低成本、高生产率和成熟的材料相结合，使 SLS 成为工程师进行功能原型制作的热门选择，并且是小批量或桥梁制造注塑成型的经济高效替代方案。

选择性激光熔化和直接金属激光烧结

SLM（选择性激光熔化）和 DMLS（直接金属激光烧结）都通过类似于 SLS 的方法生产物体。然而，与 SLS 不同，SLM 和 DMLS 用于生产金属零件。SLM 完全熔化粉末，而 DMLS 将粉末加热到接近熔化温度，直到它化学熔合。实际上，SLM 和 DMLS 在功能上是相同的。¹

与 SLS 不同，SLM 和 DMLS 需要支撑结构来补偿构建过程中产生的高残余应力。支撑结构有助于限制翘曲和变形的可能性。DMLS 是最成熟的金属增材制造工艺，并且拥有最大的装机量。

电子束熔化

EBM（电子束熔化）使用高能束而不是激光来诱导金属粉末颗粒之间的熔合。聚焦的电子束扫描薄层粉末，这会导致特定横截面上的局部熔化和凝固。电子束系统的一个优点是它们在物体中产生的残余应力较小，这意味着对支撑结构的需求较少。EBM 还使用更少的能量，并且可以比 SLM 和 DMLS 更快地生产层。然而，最小特征尺寸、粉末粒度、层厚度和表面光洁度通常比 SLM 和 DMLS 低。EBM 需要在真空中生产物体，并且该工艺只能与导电材料一起使用。²

多射流熔融

MJF（多射流熔融）本质上是 SLS 和材料喷射技术的结合。带有喷嘴的托架，类似于喷墨打印机中使用的喷嘴，穿过打印区域，将熔合剂沉积在薄层塑料粉末上。同时，在零件边缘附近打印抑制烧结的细化剂。然后，高功率红外辐射能量源穿过构建床并烧结分配熔合剂的区域，同时使其余粉末保持未动。重复该过程，直到物体完成（protolabs.com）。

材料喷射

在所有增材制造工艺中，材料喷射最类似于喷墨打印工艺。正如喷墨打印机将墨水逐层放置在纸张上一样，材料喷射将材料沉积在构建表面上。然后使用紫外线固化或硬化该层。重复此操作逐层进行，直到物体完成。由于材料以液滴的形式沉积，因此材料仅限于在暴露于紫外线或高温时固化或硬化的光敏聚合物、金属或蜡。

材料喷射非常适合逼真的原型，提供出色的细节、高精度和光滑的表面光洁度。材料喷射允许设计师在一次运行中使用多种颜色和多种材料。这使得该工艺非常适合小批量注塑模具和医疗模型。它还允许从可溶性材料打印支撑结构，该支撑结构在构建后易于移除。材料喷射技术的主要缺点是 UV 激活的光敏聚合物的高成本和脆性机械性能（lboro.ac.uk）。

纳米颗粒喷射

NPJ（纳米颗粒喷射）是一种工艺，其中包含金属纳米颗粒或支撑纳米颗粒的液体通过墨盒装入打印机。然后将液体喷射到构建托盘上，类似于喷墨打印机，通过数千个喷嘴以极薄的液滴层喷射。构建腔室内部的高温导致液体蒸发，留下金属物体（additivemanufacturing.media）。

按需滴落

DOD（按需滴落）材料喷射打印机有两个打印喷头：一个用于沉积构建材料，通常是蜡状液体，另一个用于可溶性支撑材料。与材料挤出类似，DOD 打印机遵循预定的路径，并以点状方式沉积材料以构建物体的层。该机器还采用飞刀，一种单点切割工具，可在每层之后掠过构建区域，以确保在打印下一层之前表面完全平坦。DOD 技术通常用于生产熔模铸造的蜡状模型（用于复制从原始雕塑铸造的金属雕塑）和模具制造应用。⁹

粘合剂喷射

粘合剂喷射工艺，也称为 3DP，使用两种材料：粉末和粘合剂。粘合剂通常是液体，充当粉末的粘合剂。打印头非常像喷墨打印机中的打印头，在 x 轴和 y 轴上水平移动，以沉积粉末和粘合剂的交替层。随着每层的打印，容纳粉末床的平台（物体在其上打印）会降低。重复此操作，直到物体完成。与 SLS 一样，物体不需要支撑结构，因为粉末床充当支撑。粉末材料可以是陶瓷基材料，例如玻璃或石膏，也可以是金属，例如不锈钢。

陶瓷基粘合剂喷射，使用陶瓷粉末作为材料，最适合需要复杂设计的审美应用，例如建筑模型、包装、砂型铸造模具和人体工程学验证。它不适用于功能原型，因为创建的物体非常脆弱。

金属粘合剂喷射，使用金属粉末作为材料，非常适合功能组件，并且比 SLM 或 DMLS 金属零件更具成本效益。然而，缺点是金属零件的机械性能较差（lboro.ac.uk）。

创建粘合剂喷射的同一批人也创建了 Desktop Metal，这是一个使用此技术的 3D 打印机系统（desktopmetal.com）。

定向能量沉积

DED（定向能量沉积）通过在沉积时熔化粉末材料来创建物体，类似于材料挤出。它主要与金属粉末或金属丝一起使用，并且通常被称为金属沉积，因为它专门用于金属。DED 依赖于密集的支撑结构，这对于从头开始创建零件来说并不理想。这使其最适合于修复或向现有物体添加材料，例如涡轮叶片（lboro.ac.uk）。

金属定向能量是 Relativity Space 用于打印其火箭零件的技术。由于它需要构建的零件尺寸很大，因此它使用了定制机器。

激光粉末成形

激光粉末成形也以其专有名称 LENS（激光工程净成形）而闻名，该名称由 Sandia 国家实验室开发（sandia.gov）。该工艺使用沉积头，该沉积头由激光头、粉末分配喷嘴和惰性气体管道组成。沉积头在粉末从喷嘴喷出时熔化粉末，以逐层构建物体。激光在构建区域上创建熔池，并将粉末喷射到熔池中，在那里熔化然后凝固。

电子束增材制造

EBAM（电子束增材制造）使用电子束通过焊接金属粉末或金属丝来创建金属物体。与使用激光的激光粉末成形相反，电子束更有效，并且在最初设计用于太空的真空中运行。⁵

薄片层叠

薄片层叠工艺包括 LOM（层叠物体制造）和 UAM（超声波增材制造）。您可能熟悉 LOM——它基本上与您小时候可能使用过的覆膜机使用的技术相同。为了覆膜一张纸，您将纸张放入覆膜袋中，该覆膜袋由两种塑料组成：外层为 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），内层为 EVA（乙烯-醋酸乙烯酯）。然后，加热辊将袋子的两侧粘合在一起，以便纸张完全包裹在塑料中。相同的基本工艺用于构建物体（lboro.ac.uk）。

另一方面，UAM 通过熔合和堆叠金属条、片或带材来构建金属物体。这些层使用超声波焊接结合在一起。该工艺在能够在 CNC（计算机数控）铣削工件的机器上完成，因为层是构建的。该工艺需要去除未结合的金属，通常在焊接过程中去除。UAM 使用金属，例如铝、铜、不锈钢和钛。该工艺可以粘合不同的材料，以快速的速度构建，并实际制造大型物体，同时由于金属未熔化而需要相对较少的能量。

未来

能够使用多种不同的材料从数字文件快速生成物理对象，使您能够创造出您在最疯狂的梦想中才能想象的东西。增材制造使个人和公司无需第三方制造商的参与即可进行创造，从而使他们能够更快地从想法变为原型。增材制造甚至被用于进入太空。我们才刚刚开始想象增材制造的所有应用。敬请期待未来人们将构建什么。

致谢

感谢 Jordan Noone (@thejordannoone) 和 Michael Fogleman (@FogleBird) 阅读了本文的初稿。

参考文献

1. Jones, G. 2019. 直接金属激光烧结 (DMLS) — 简单解释。All3DP; https://all3dp.com/2/direct-metal-laser-sintering-dmls-simply-explained/.

2. Murr, L. E., Gaytan, S. M. 2014. 增材制造和模具制造的进展。在综合材料加工中，编辑：S. Hashmi, C. J. Van Tyne, G. F. Batalha, 和 B. Yilbas, 135-161。Elsevier; https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/electron-beam-melting.

3. Norman, J. Chuck Hull 发明了立体光刻或 3D 打印，并生产了第一台商用 3D 打印机。信息历史; https://www.historyofinformation.com/detail.php?id=3864.

4. Redwood, B. 增材制造技术：概述。3D Hubs; https://www.3dhubs.com/knowledge-base/additive-manufacturing-technologies-overview/.

5. Shuhe, C., Gach, S., Senger, A., Haoyu, Z. 2018. 基于非真空电子束技术的新型 3D 打印方法。在物理学杂志：会议系列 1074:012017; https://www.researchgate.net/publication/328169730_A_new_3D_printing_method_based_on_non-vacuum_electron_beam_technology.

6. 德克萨斯大学奥斯汀分校。2012. 选择性激光烧结，一个行业的诞生; https://www.me.utexas.edu/news/news/selective-laser-sintering-birth-of-an-industry.

7. V., C. 2019. 缅因大学创造了世界上最大的 3D 打印船。3D Natives; https://www.3dnatives.com/en/3d-printed-boat-university-of-maine-161020195/#!.

8. Varotsis, A. B. SLA 3D 打印简介。3D Hubs; https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-sla-3d-printing/.

9. Zhang, L. 2019. 具有改变打印头喷嘴几何形状效果的按需滴落液滴喷射特性。在传感器和执行器 A：物理, 298; https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424719312701.

Jessie Frazelle 是 Oxide Computer 公司的联合创始人兼首席产品官。在此之前，她曾在 Linux 的各个部分工作，包括容器和 Go 编程语言。

最初发表于 Queue 第 18 卷，第 4 期—
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