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[3D打印专题] 3D打印技术不是“一种”技术

卡卡 发表于 2016-09-05 11:59:23
3D打印专题的第一篇中,我们介绍了3D打印 (增材制造) 的基本概念,即用数字模型文件、通过层层叠加的方式制造物品的方式。然而我们鲜去探讨的是,所谓的“3D打印技术”,并不是一种单一的技术,而是描述一种制造生产方式的涵盖性术语。具体用来实现3D打印的技术有很多种,本篇我们就来探讨一下实现3D打印的不同技术原理。


1. 熔融沉积成形 (Fused Deposition Modeling / FDM)

熔融沉积成形是3D打印最常用的技术。这种技术常采用细丝状的塑料或者金属为打印原料,丝状材料输入到打印喷头后被加热而后以融化状态从打印头的下端挤出,融化了的材料挤出后在空气中立马冷却固化。打印头和建造平台(build platfom)之间的相对运动由数字控制,通过计算机辅助制造软件 (Ccomputer-Aided Manufacturing / CAM software) 实现运动轨迹的计算。打印完一层后,打印头上升 (或建造平台下降)一层的高度,再进行下一层的打印,如此层层叠加,最终完成整个原型的制作。

熔融沉积成形图示

熔融沉积成形技术最常用的材料是ABS和PLA,包括MakerBot在内的大部分桌面3D打印机使用的都是绕成线圈的ABS和PLA丝状材料。但FDM可用的材料其实还有很多,材料形态也不限于细丝状。我们在《数字泥土系列》中介绍过的可打印陶土的3D打印机使用的也是FDM,其材料是通过针筒一样的结构挤压出去的,无需加热。我们还曾经介绍过Pam,一款可以用塑料颗粒而非丝状材料的3D打印机,以及利用回收塑料进行3D打印的例子。

MakerBot Replicator

陶土3D打印机

Pam - 使用塑料颗粒的打印机

利用回收旧塑料进行3D打印


2. 光聚合成形(Photopolymerisation)

光聚合成形是利用紫外线聚合液态光敏树脂而成形的方法。最常用的技术被称为立体光塑 (Stereo Lithography Apparatus / SLA)。打印过程中,液态光敏树脂材料被涂在建造平台上,而后紫外线激光光源按照这一层的横截面形状照射光敏树脂,使其固化并与上一层已固化的树脂层聚合在一起。这一层完成后,建造平台向远离打印头(光源)的方向移动一层,新的一层液态树脂被涂在建造平台上,之前的步骤继续重复直到生成最终的三维物体。一种常用的机器结构是将建造平台逐渐浸入到一个装满液态光敏树脂的容器中,紫外线激光聚合的永远是容器中树脂液体的最上层,完成一层后建造平台向容器下方继续浸入一层的高度,最上层则又被树脂液体占据,准备进行下一次的光聚合。还有将建造平台倒置,打印物体从置于下方的液态光敏树脂容器中逐渐“升起”的模式。

SLA原理图示

Stratasys的Objet系列3D打印机使用的就是SLA技术,其打印精度远远高于一般利用FDM (熔融沉积成形) 技术的3D打印机,打印物表面光滑,几乎看不到层和层之间的锯齿。不过Objet这种价格百万级别的打印机,也不是我们普通人能够负担得起的。



用Objet Connex500打印

Autodesk的Ember3D打印机是一款利用SLA技术的桌面打印机,其打印精度有点逆天,可以打印出类似毛发的精度。Ember采用了建造平台倒置的构造,盛有液体光敏树脂的容器托盘在机器底部,光源从底部向上射出,打印过程中建造平台逐渐升起,看上去好像把打印物从液体中逐渐拖拽出来一样。

Autodesk Ember

基于光聚合成形的还有一种去年面世的新技术,由Carbon3D公司推出,称为连续液态界面 (Continuous Liquid Interface Production / CLIP)。这项技术将光聚合的过程“连续化”,相比SLA技术一层一层处理大大提高了打印效率。



3.选择性激光烧结(Selective Laser Sintering / SLS)

选择性激光烧结 (SLS)是利用高功率激光将细小颗粒的塑料、技术、陶瓷或玻璃等材料烧结聚合在一起形成三维物体的过程。打印过程中,粉末状的打印原材料通过铺粉装置被均匀地铺在打印建造平台上,然后激光在计算机的控制下,按照这一层的截面轮廓有选择地对粉末材料进行扫描,粉末加热至熔点即被烧结在一起。一层打印完成后,建造平台下移一个层的高度,新的一层粉末被铺下,继续重复上述的过程,直到生成最终的原型。所有未被烧结聚合的粉末材料在打印过程中仍然留在原位置,作为下一层的支撑。打印完成后,未被烧结聚合的粉末可以轻易与已经聚合的三维物体分离开,并重新回收利用。

选择性激光烧结 (SLS)工作原理图示

利用SLS技术打印的金属件,右图为刚打印完成时的状态,打印物埋在一堆未聚合的粉末中


4. 喷射黏着剂 (Binder Jetting)

喷射黏着剂的3D打印技术与选择性激光烧结的基本原理相同,都是通过聚合粉末状细小颗粒的材料来形成三维物体。不同的是,它是通过在粉末间喷射粘合剂实现的。这种方法采用的是类似喷墨打印机的工作原理,在粉末上按照要打印的这一层的截面轮廓喷射出可以黏合材料粉末的黏合剂,如此层层重复直到生成最终三维物体。这种打印方法只对某些材料适用,常见的包括石膏和一些聚合物塑料,因为并不是所有材料的颗粒都能通过另一种材料黏合并能保持最终产物的机械特性的。

由于利用喷墨打印的原理,这种打印方式可以打印全彩色,颜色是跟黏合剂一起喷射到粉末上的。不过这种打印方式也有一个劣势。由于不是同种材料分子间的聚合 (如SLS),而是通过黏合剂聚合,这样生成的打印物尝尝比较脆弱,碰撞后易破损。虽然打印完成后可以将物体浸入液体树脂中进行加固,但也不能从根本上改变其机械性能薄弱的问题。

但对于技术的诟病不能一概而论,因为革新时刻都在出现。ExOne的M-Flex就是利用喷射黏着剂技术来3D打印的高端工业机器,其打印原型质量过硬,可以直接当作成品使用,更重要的是M-Flex可以打印多种金属,通过使用特殊黏合剂,反而克服了选择性激光烧结 (SLS) 过程中频繁加热冷却带来的问题。

Zcorp 全彩色粉末3D打印机,粉末清理 (左),打印实例 (右)


5.薄板材料叠层(Sheet Material Lamination)

顾名思义,薄板材料叠层就是将薄板状的材料 (比如纸张、塑料薄板、金属薄板) 叠加聚合在一起从而生成三维物体的过程。每一张薄板状材料按照数字模型中的相应横截面切割出来,再与之前一张通过黏合剂 (纸) 或者 超声焊接 (金属)的方式聚合在一起,这样逐层粘合、逐层切割,直到完成整个原型。

Mcor Technologies就出品了一款纸张3D打印机。这台3D打印机内部其实放了一台普通办公室用的全彩喷墨打印机。一张纸先经过普通的喷墨打印程序,打印上对应横截面的轮廓和颜色,而后被传送到打印建造平台上,被精准控制的刀片将不需要的部分切掉,而后胶水被涂在需要打印的部分,这样下一张纸送到建造平台上就会跟上一张纸粘和在一起。由于内部使用了彩色喷墨打印机,Mcor 3D打印机也可以打印全彩色。最终打印产物非常轻,因为其实就是纸粘起来了。

Mcor 全彩色纸张3D打印机及打印实例


6. 定向能量沉积 (Directed Energy Deposition)

定向能量沉积是针对金属3D打印的一种技术方案,其原理类似拿着焊丝电焊。打印机 (打印头)往往是以工业机械臂的形式出现的,一边“吐出“ 材料 (金属粉末或金属丝),一边用高功率能源 (激光、电子束或等离子束) 融化金属,添加到打印物体上,金属在空气中立刻固化,与已打印的部分融为一体。这种技术方法大大提高了金属3D打印作业的灵活度,可以用来建造建筑规模的结构。

MX3D的3D打印钢制桥梁

上述这些技术术语也许有些让人提不起精神。不过大致了解一下3D打印技术的不同工作原理还是对我们深入认识这一领域很有帮助,特别是纵观这些不同的技术实现方案,其实我们更容易认识到,“3D打印“更像是一种方法论而不是具体的技术。用这种方法论来看我们身边的事物,其实很多东西都用了相似的逻辑,比如用面粉和鸡蛋来做鸡蛋饼,其实跟把粉末状塑料用黏合剂粘合起来成为三维物体的过程差不多。这样的举例也许不严肃,但是这种思路对于我们拓宽对 “3D打印“ 概念的理解是有益无害的。

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