3D打印设备

第一台3D打印机由查尔斯·赫尔在1986年发明，这台3D打印机使用立体光固成型技术。经过30年的发展，3D打印形成了不同的技术路线和工艺，不同的工艺对应着不同的打印设备及材料。

3D打印技术路径

3D打印技术发展至今，在最初的基础上已经衍生出几十种打印技术。美国材料与测试协会增材制造技术委员会（ASTM F42）增材制造技术委员会在其发布的《增材制造技术标准术语》（ASTMF2792-12a）中把打印原理分为七大类，主流的技术都可以归入这七类原理。

经过几十年的发展，目前已经开发出多种3D打印技术路径，从大类上划分为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型和其他成型几大类，挤出成型主要代表技术路径为熔融沉积成型（FDM）;粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、三维打印（3DP）、选择性热烧结（SHS）等;光聚合成型主要包括光固化（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）;其他技术包括激光熔覆快速制造技术（LENS）、熔丝制造（FFF）、融化压模（MEM）、层压板制造（LOM）等。其中，FDM、SLA、LOM、SLS、3DP为主流技术。

粒状物料成型

顾名思义，各种粒状物料成型工艺均采用粒状物料，包括金属粉末、塑料粉末、陶瓷粉末等等，不同的工艺对材料的物理、化学性能有差别化的要求，通过这些技术可以将粉末材料转化为固体材料，赋予一定的结构和机械性能。

所不同的是在进行粉末连接的时候采用的方法不同，一般有激光、电子束、热量、粘剂等。采用激光、电子束进行3D打印的一般需要较为苛刻的外部条件，适用于工业3D打印机;利用粘剂、热进行连接的对外部环境要求不算太苛刻，可发展桌面级打印机。

粒状物成型技术路径主要包括电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光融化（SLM）、三维打印（3DP）、选择性热烧结（SHS）、金属激光烧结（DMLS）等。

粒状物料成型相关技术的优点，包括成型速度快、材料广泛、能够制造复杂构造等特点，但同时也存在强度低、一般需要后处理、部分技术路径需要预加工、成本较高等缺点。受制于机械性能较差等因素，目前通过粒状物料成型3D打印工艺更多地应用于产品开发阶段。

光聚合成型

光聚合成型类3D打印技术是利用光敏材料在光照射下固化成型的3D打印技术的统称。主要包括三种技术路线：其一是由美国3D Systems开发并最早实现商业化的光固化成型技术（SLA）;其二是由德国envision TEC公司基于数字光处理（DLP）投影仪技术开发的DLP技术;其三则是由以色列Objet公司（2012年与Stratasys合并）开发的聚合物喷射技术（PolyJet）。

其中，SLA使用的光源为紫外激光束，DLP使用的光源为数字光处理器，PolyJet使用的光源为紫外光。三种技术虽然原理相近，但由于光源以及具体工艺的差异，导致在打印速度、精度、光洁度等方面各有优劣，在应用方面也是各有侧重。

3D打印工艺

打印工艺与设备主要基于常规热源、激光热源、电子束、粘结、层压和光固化等不同的材料成型方式。不同原理的技术所制成产品具有不同的性能，其应用也受到相应限制。这些3D 打印技术由不同公司研发倡导，主要区别在于打印速度、成本、可选材料及色彩能力等。

熔融沉积成型（FDM）

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling， FDM）技术由美国学者Scott Crump于1988年研制成功，并据此于1989年成立Stratasys公司。

FDM技术将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，喷嘴按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率移动，进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25-0.50mm。

成型过程需要恒温环境，熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却，容易造成翘曲和开裂，适当的环境温度最大限度地减小这种造型缺陷，提高成型质量和精度。

FDM的优势在于材料来源广泛，可使用工业级热塑原料，设备所需技术水平较低，进入门槛和生产成本相对较低。但缺点在于，由于温度的不稳定会对材料成型的稳定性造成影响，线材的直径影响产品的精度，使得打印精度较低、表面粗糙。喷头移动速度影响成型速度，并且复杂构件不易制造。

FDM技术被Stratasys公司的Dimension、uPrint和Fortus全线产品以及惠普大幅面打印机作为核心技术所采用。目前FDM在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。

选择性激光烧结（SLS）

激光烧结，又称为粉末床熔融技术，是在粒状层中选择性地融化打印材料，通常采用激光来烧结材料并形成固体。在这种方法中，未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁，从而减少了对其他支撑材料的需求。激光烧结技术主要包括选择性激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）和直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering， DMLS）两种类型。

SLS由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功，并将此技术商业化成立了DTM公司（2001年已被3D Systems收购）。

SLS采用CO2激光器作为能源，将粉末预热到稍低于其熔点的温度，在刮平棍子的作用下将粉末铺平。激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择的烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，可得到烧结好的零件。

SLS主要采用金属和聚合物为打印材料，具体包括尼龙、添加玻璃纤维的尼龙、刚性玻璃纤维、聚醚铜、聚苯乙烯、尼龙及铝粉等混合材料、尼龙及碳纤维的混合材料、人造橡胶等。

SLS的优势在于使用的材料范围比较广，产品性能堪比传统制造工艺;能很容易地直接通过CAD数据制作出非常复杂的几何图形，已在世界各地得到广泛应用。缺点在于工作环境中粉尘较多、粉末烧结的表面粗糙、产品需要后期处理;使用大功率激光器，能耗通常在8000瓦以上，设备成本高，需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大。

德国EOS是全球SLS技术的领导者，美国GE公司已经在使用EOS设备生产制造航空发动机组件。

选择性激光熔化（SLM）

选择性激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）采用光纤激光器作为热源，将金属粉末铺平。激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择的熔化，经冷却凝固而成型。一层完成后，进行下一层熔化，最终得到零件。SLM的加工过程在惰性气体保护的加工室中进行，以避免金属在高温下氧化。

SLM的优势是成型的金属零件致密度高，可达90%以上，某几种金属材料成型后的致密度近乎100%;抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平;显微维氏硬度可高于锻件;由于是打印过程中粉末完全融化，因此尺寸精度较高;与传统减材制造相比，可节约大量材料，对于较昂贵的金属材料而言，可节约一定成本。

因此，SLM可以直接制造高性能金属零件，甚至模具，可直接成型高复杂结构、高尺寸精度、高表面质量的致密金属零件，产品性能优异，减少了制造金属零件的工艺过程，在难加工复杂结构和难加工材料、复杂模具、个性化医学零件、航空航天和汽车等领域异形零部件的制造方面具有突出的技术优势。

SLM的缺点包括：成型速度较低，为了提高加工精度，加工层厚较薄，加工小体积零件所用时间也较长，因此难以应用于大规模制造;在于熔化金属粉末时，零件内易产生较大的应力，复杂结构需要添加支撑以抑制变形的产生，往往因而无法直接制作大尺寸零件;SLM设备十分昂贵，设备稳定性、可重复性还需要提高，熔化金属粉末需要大功率激光，能耗较高。

SLM工艺适合加工形状复杂的零件，尤其是具有复杂内腔结构和具有个性化需求的零件，适合单件或小批量生产。目前，SLM工艺已开始应用于航空航天、汽车、家电、模具、工业设计、珠宝首饰及医学生物等领域。

霍尼韦尔公司在SLM技术的航空应用上走在了市场前列，公司使用3D打印技术构建热交换器和金属骨架：传统隔板的成形、加工和焊接需要耗时9-10个月，而通过计算机辅助设计零件，利用SLM建造该隔板仅需9天。同样具备SLM技术的还有德国3D打印企业EOS等。

金属激光烧结（DMLS）

金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering， DMLS）原理是通过在基材表面覆盖熔覆材料，利用激光使其与基材表明一起熔凝在一起的方法。

DMLS的主要优点包括：对基材的热影响程度较小，引起的变形程度也较小;材料范围广，根据不同的基材可以使用不同的粉末材料进行加工，可以用于不同用途;可对局部磨损或损伤的大型设备贵重零部件、模具进行修复，延长使用寿命;可以快速修复受损部件，减少因设备损坏造成的停工时间，从而降低维护成本。DMLS的缺点基本与SLM相同，主要是成型速度慢、需要大功率激光设备等。

DMLS主要用于受损零件的修复，下游行业主要涉及冶金、石化、船舶、电力、机械、液压、化工、模具等行业，可对大型转动设备重要零部件如轴、叶片、轮盘、曲轴、泵轴、齿轴以及模具、阀门等进行腐蚀、冲蚀和磨损后的激光熔覆修复。

电子束熔炼（EBM）

电子束熔炼（Electron Beam Melting， EBM）也是一种金属增材制造技术。EBM的工作原理与SLM相似，都是将金属粉末完全熔化后成型。其主要区别在于SLM技术是使用激光来熔化金属粉末，而EBM技术是使用高能电子束来熔化金属粉末。计算机将物体的三维数据转化为一层层截面的2D数据并传输给打印机，打印机在铺设好的粉末上方选择性地向粉末发射电子束，电子的动能转换为热能，选区内的金属粉末加热到完全熔化后成型，加工成当前层。然后工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面粘结，此过程逐层循环直至整个物体成型。

EBM对零件的制造过程需要在高真空环境中进行，一方面是防止电子散射，另一方面是某些金属（如钛）在高温条件下会变得非常活泼，真空环境可以防止金属的氧化。

EBM技术同样具有SLM技术的致密度高、机械性能好、硬度高、尺寸精度较高、节约材料等优点。与SLM相比，EBM技术的主要优点包括：电子束的能量转换效率非常高，远高于激光，因此能量密度更高、粉末材料熔化速度更快、成型速度更快，且节省能源;高能量密度能够熔化高熔点高达3400摄氏度的金属;电子束的扫描速度远高于激光，因此在造型时一层一层扫描造型台整体进行预热以提高电子粉末的温度，经过预热的粉末在造型后残余应力较小，在特定形状的造型会有优势，且无需热处理。

EBM技术同样具有SLM技术的成型效率低、设备稳定性、可重复性低、表面粗糙度高等缺点。与SLM相比，EBM技术的主要缺点包括：由于EBM对粉末进行预热，金属粉末会变成类似假烧结的状态，造型结束后，SLM的未造型粉末极易清除，而EBM的未造型粉末需要通过喷砂去除，但是复杂造型内部会有难以去除的问题;需要额外的系统以制造真空工作环境。

EBM技术最早由瑞典Arcam公司研发并取得专利。EBM可用于模型、样机的制造，也可用于复杂形状的金属零件的小批量生产。目前EBM主要应用于航空航天，如制造起落架部件和火箭发动机部件等，同时可应用于骨科植入物领域，目前已经有成功案例。

EBM的材料多为金属材料，不同的应用领域对强度、弹性、硬度、热性能等要求有所区别，因此根据不同的用途需要进行调配，一般为多金属混合粉末合金材料，如目前主流的Ti6Al4V、钴铬合金、高温铜合金等。

选择性热烧结（SHS）

选择性热烧结（Selective Heat Sintering， SHS）也是一种基于粉末床的增材制造技术，其工作过程与SLS有相似之处，区别在于SLS使用激光烧结粉末，SHS使用热敏打印头的热量烧结热敏性粉末。打印机控制热敏打印头在铺设好的粉末上方选择性地移动，打印头的热量将选区内的粉末加热至熔融温度以上，粉末融化并粘结在一起，加工成当前层。然后工作台降低一个单位的高度，新的一层粉末铺撒在已烧结的当前层之上，设备调入新一层截面的数据进行加工，与前一层截面粘结，此程逐层循环直至整个物体成型。

SHS的优点在于：材料和设备价格相对低廉;与其他粉末床打印技术一样，无需额外的支撑结构，可打印几何形状复杂的物体;多打印头同时工作，可以打印复杂的几何形状。SHS的缺点包括：材料单一，仅包括热塑性尼龙粉末;成型精度低;成型速度低。

SHS技术是由丹麦Blueprinter公司开发的。由于只能使用热敏性塑料粉末，因此采用SHS技术打印出的物件强度有限，只能用于创意模型、模具的打印，暂时不能用于功能件的打印。但与涉及激光的3D打印机相比，该技术可以放置于办公室环境中，从而成为桌面级3D打印机，可以与FDM技术形成重要的桌面级打印机的技术来源。

基于SHS的材料主要是热敏性材料，如尼龙等，针对不同的构件尼龙粉末的粒径可能会有所不同，在打印结束后打印的最终部件会被未熔化的粉末所包围，因此需要进行后处理，这就要求材料要能够易去除。

三维喷绘打印（3DP）

3DP是一种基于微喷射原理（从喷嘴喷射出液态微滴），按一定路径逐层打印堆积成形的打印技术，这种技术和平面打印非常相似。3DP打印机主要部件为储粉缸和成形室工作台。打印时首先在成形室工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着打印头按照零件截面形状，将粘结材料有选择性地打印到已铺好的粉末层上，使零件截面有实体区域内的粉末材料粘接在一起，形成截面轮廓，一层打印完后工作台下移一定高度，然后重复上述过程。如此循环逐层打印直至工件完成，再经后处理，得到成形制件。

3DP可以在粘结剂中添加颜料，制作彩色原型;但强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。同立体印刷、叠层实体制造和选择性激光烧结快速成形技术相比，3DP不需要昂贵的激光系统，具有设备价格便宜、运行和维护成本低的优势。与熔融沉积快速成形技术相比，3DP可以在常温下操作，具有运行可靠、成形材料种类多和价格低的优势。此外，与其它系统相比，3DP还有操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无污染、适合办公室环境使用等优点。

3DP技术于1993年由麻省理工学院的学者研发，1995年Z Corparation公司获得了排他性的使用许可。3D System于2012收购了Z Corporation，继续生产基于3DP技术的3D打印设备和材料，3D Systems公司Z printer系列是3DP技术代表产品。

立体光固化（SLA）

立体光固化（Stereo Lithography Appearance，SLA）是最早应用的3D打印技术，在1986年由查尔斯·赫尔发明，并通过其成立的3D Systems实现商业化。

SLA的原理是利用紫外激光固化对紫外光非常敏感的液态树脂材料（性能类似于塑料）予以成形。树脂槽中盛满液态光敏树脂，在计算机控制下经过聚焦的紫外激光束按照零件各分层的截面信息，对液态树脂表面进行逐点逐线扫描。被扫描区域的树脂产生光聚合反应瞬间固化，形成零件的一个薄层;当一层固化后，工作台下移一个层厚，在已固化的零件表面覆盖一个工作层厚的液体树脂，接着进行下一层扫描固化，新的固化层与前面已固化层粘合为一体;如此反复直至整个零件制作完毕。

SLA的优势是成型速度快、精度高，可以做到微米级别，适合制作结构复杂的模型;SLA是最早出现的快速成型制造工艺，成熟度最高，经过时间的检验。

其缺点是，SLA所使用的光敏树脂在未固化时有一定毒性;成型件多为树脂类，强度、刚度和耐热性有限，树脂收缩导致精度下降，不利于长期保存;产品还需后处理，主要包括清洗、去除支撑、后固化以及表面打磨等;SLA的设备和材料成本都很高，SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻;需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

SLA应用于航空航天、工业制造、生物医学、艺术等领域的精密复杂结构零件快速制作，精度可达0.05毫米。美国3D Systems公司是SLA技术的领导者，在全球市场占比最大。

数字光处理（DLP）

数字光处理（Digital Light Procession， DLP）中，大桶的聚合物被暴露在数字光处理投影机的安全灯环境下，暴露的液体聚合物快速变硬，然后设备的构建盘以较小的增量向下移动，液体聚合物再次暴露在光线下。这个过程不断重复，直到模型建成。最后排出桶中的液体聚合物，留下实体模型。

DLP和SLA比较相似，均是采用光敏树脂作为打印材料，不同的是SLA的光线是聚成一点在面上移动，而DLP在打印平台的顶部放置一台高分辨率的数字光处理器投影仪，将光打在一个面上来固化液态光聚合物，逐层地进行光固化，因此速度比同类型的SLA速度更快。

DLP技术的主要优点包括：打印速度快、打印精度高、打印分别率高、物体表面光滑。主要缺点是机型造价高、DLP技术所用的液态树脂材料较贵，并且容易造成材料浪费。

DLP的应用非常广泛，被应用于对精度和表面光洁度要求高但对成本相对不敏感的领域，如珠宝首饰、生物医疗、文化创意、航空航天、建筑工程、高端制造。

材料喷射（PolyJet）

材料喷射成型是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合成型材料。

PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光，对光敏聚合材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，工作台下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化，直到整个工件打印制作完成。

PolyJet技术的主要优点包括：打印质量、精度高，高达16μm的层分辨率和0.1mm的精度，可确保获得光滑、精准部件和模型;清洁，适合于办公室环境，PolyJet技术采用非接触树脂载入/卸载，支撑材料清除和喷头更换都很容易;得益于全宽度上的高速光栅构建，可实现快速的流程，可同时构建多个项目，并且无需二次固化;由于打印材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色的部件。

PolyJet 技术的主要缺点：需要支撑结构;耗材成本相对较高，尽管与SLA一样均使用光敏树脂作为耗材，但价格比SLA的高;成型件强度较低，由于材料是树脂，成型后的工件强度、耐久性都不是太高。

3D打印机分类

3D打印机主要分为工业级打印机和消费级打印机。通常把价格在5000美元以上的打印机称为工业级打印机，而把价格在5000美元以下的3D打印机称为消费级打印机（也叫个人级、桌面级打印机）。工业级打印机精度高、售价昂贵，通常面向大型企业、政府部门和科研机构进行销售。个人级打印机的精确度较低，但是具有价格便宜和打印速度快的优势，是个人消费者或是中小型企业的最佳选择。

工业级3D打印适用于小批量、造型复杂的非功能性零部件生产，大多在汽车、航天、医药公司等领域内用于制造样件和模具等，与传统制造业形成互补;消费级3D打印机的应用起源于业余爱好者，但随着科技的发展和人们创新意识的增强，现在可以与互联网结合，开创新的商业模式。

工业级3D打印机

目前能生产工业级3D打印设备的制造商较少。代表企业有美国的3D Systems、Stratasys以及德国的ExOne等。其中，ExOne是专注于做工业级3D打印机（特别是金属3D打印）的企业，产品往高精密方向发展。购买工业级3D打印机或3D打印服务的公司往往具有很强的财务能力，主要集中在消费电子领域、汽车领域、医疗以及航空制造等。

工业级3D打印机销售规模仍较小，但市场潜力巨大。目前，全球工业级3D打印机出货量不到1万台。先进的工业级3D打印机售价可达到100万美元以上，能够制造金属制水泵配件、航空部件，也能够制造钛制膝关节和助听塑料耳朵等。

消费级3D打印机

消费级3D打印机价格较低，多使用塑料作为打印材料。起初大多数消费级3D打印机源于开源硬件设计，消费者为教育机构、DIY爱好者等。为了将价格保持在消费者可以接受的范围内（目前售价大都在1000美元到2000美元之间），大部分消费级3D打印机所使用的材料为塑料，技术通常为熔融沉积成型（FDM）技术。

消费级3D 打印机销售量增长迅猛。然而，由于相比工业级3D打印机，消费级3D打印机售价比较低，整体产值仍不是很大。

金属3D打印机

金属3D打印机打印可显著提升产品性能。利用金属3D打印机制造模具，可以实现非常复杂的热流道设计，从而能够很好地提升模具使用性能和产品品质。有些金属3D打印机还可以直接加工原型件以及最终产品，产品性能近似锻件性能。

金属3D 打印机近几年销量稳定增长，但占工业级打印机的比例仍较低。虽然塑料目前仍是3D打印的最主要的材料（市场份额占到90%以上），但越来越多的金属可被用于3D打印。

生物3D打印机

生物3D打印是3D打印技术研究最前沿的领域，是生物制造的一个分支。生物3D打印，是以三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，用3D打印的方法成型生物材料，特别是细胞等材料的方法。

生物3D打印分为四个层次：生物不相容不降解材料、生物相容不降解材料、生物相容降解材料、活细胞。目前技术上都可以实现。前两者在大多数该领域实验室可实现，如打印牙齿、关节等，后两者特别是活细胞打印是目前研究的主攻方向。

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