ACM通信

实践

以加法制造

由杰西Frazelle
ACM通讯，2021年3月，第64卷第3期，第58-62页
10.1145 / 3424254
评论

流行文化使用这个词3 d打印技术的同义词加法制造流程。2010年，美国测试与材料协会(American Society for Testing and Materials group ASTM F42-Additive manufacturing)提出了一套标准，将增材制造过程分为七类。每个过程使用不同的材料和机器技术，这影响用例和应用，以及经济。为了买到最好的3D打印机，我深入研究了各种各样的流程。你可以在我的博客上阅读我的评论。在本文中，我将分享我从每个过程中学到的一些东西，以及我在这个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，从首饰到复杂系统的金属部件，甚至是巨大的、令人兴奋的东西，如建造一艘船⁷或者发射火箭进入太空。是的，你没看错，Relativity Space和Launcher Space都在使用增材制造技术制造火箭，将卫星(或其他货物)送入太空。相对论空间甚至为此建造了自己的增材制造机器，命名为“星际之门”(Stargate)，而Launcher则与增材制造定制机器(additive manufacturing Customized Machines)合作生产其引擎E-2。

看到增材制造过程的规模和不同用例的多样性是令人惊讶的。通过使用增材制造，公司和个人可以比第三方制造合作伙伴更快地从想法到创造。所有不同过程的差异使您能够选择最适合您想要创建的过程。让我们继续深入研究每个过程!

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材料挤压

材料挤压是最常见和最便宜的3D打印技术类型。它代表了全球最大的3D打印机安装基地。在材料挤压中，通过按预定路径一层一层地熔化和挤压热塑性聚合物灯丝来制造物体。想象一下只用一管牙膏制作一个物体。你可以把牙膏一层一层地涂在物体上，慢慢地建立起物体的墙壁。材料挤压的工作原理与此类似。

最常见的材料挤压应用是电气外壳，形式和配合测试，夹具和夹具，熔模铸造模式。通常用于材料挤压的技术被称为熔融沉积建模，或FDM。

熔融沉积造型．FDM，也被称为FFF(熔融长丝制造)，与一系列标准热塑性长丝，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，以及它们的各种共混物。

FDM的工作原理如下:

1. 首先，将一卷热塑性灯丝装入打印机。一旦喷嘴加热到合适的温度，长丝被送入挤压头，进入喷嘴，在那里它融化。
2. 然后，将挤出头连接到一个三轴系统，使其在X，Y,Z维度。将熔化的材料挤压成细股，并在预定位置一层一层地沉积，在那里冷却并凝固。冷却过程可以通过使用风扇连接到挤压头，如果设备支持它。
3. 填充一个区域需要多次传递，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压头向上移动，这取决于设备，然后沉积一个新的层。这个过程重复，直到完成对象。

这一过程往往导致FDM对象具有可见的层线，除非平滑，可能显示出复杂特征周围的不准确性。牙膏的类比在这里也适用，因为它也会有明显的层线。

而FDM传统上用于塑料，Markforged使用FDM和MIM(金属注射成型)的组合为其金属X打印机。这些机器可以打印金属和碳纤维零件。他们使用两种灯丝材料——结合金属粉末灯丝和陶瓷释放材料——在材料挤压过程中制造零件。然后该部分被清洗，以打破聚合物结合材料。最后，该零件由轻结合的金属粉末零件转变为全金属零件烧结．每一步都使用不同的机器，零件需要支撑和结构来支撑零件，并为被打印的物体提供强度和阻力，比如重力。这表明您没有绑定到给定的流程，但可以使用每个流程的各个方面来实现给定的用例。Markforged声称其工艺比使用松散的金属粉末更安全、更经济。

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增值税光聚合

光聚合是一种常见的方法，使用添加剂技术来建立一个对象一次一层。当光聚合物树脂暴露在特定波长的光下时，会发生化学反应，使其变成固体。增值税指的是在缸中反复诱导这种化学反应，形成固体。

还原聚合工艺在生产具有精细细节和光滑表面的物体方面非常出色。这使它们成为珠宝，低运行注射成型，牙科应用和医疗应用如助听器的理想选择。还原聚合的主要限制是产物的脆性。因此它不适合机械零件。

有限元．SLA是世界上最早的3D打印技术之一，由查尔斯·赫尔(Charles Hull)于1984年发明。^3.SLA 3D打印机使用激光将液态树脂固化成硬化塑料。

SLA机器有两种主要设置:自顶向下和自底向上。这些是指激光的方向和被打印的部件。根据用例的不同，每种方法都有优点和缺点。

在自上而下的设置中，激光源位于水箱上方，该部件朝上建造。构建平台从树脂桶的最上面开始，每层之后向下移动。自顶向下的机器可以处理非常大的构建尺寸，比自底向上的机器更快，但它的成本更高，需要专家来操作。还要记住的是，在自上而下的方向打印机中更换材料需要清空整个容器，这可能是耗时和低效的。

在自下而上的机器中，光源来自树脂槽的下方，部件是朝下建造的。该罐有一个透明的底部，底部有一层硅树脂涂层，允许激光通过，但防止固化树脂粘在上面。每一层之后，固化的树脂会随着搭建平台的向上移动而从水箱底部分离。这就是所谓的剥皮步骤。自下而上的机器成本更低，使用范围更广，但与自上而下的设置相比，它的构建尺寸和材料范围更小。自下而上还需要更多的后处理，这是广泛使用支持的结果。⁸

SLA流程遵循以下步骤:

1. 首先，将液体光致聚合物装入大桶或罐中。
2. 一束集中的紫外线或激光集中在缸或罐的表面。光束或激光通过交联或在特定位置降解聚合物来创建所需的3D物体的每一层。这一步一层一层地重复，直到3D对象完成。

SLA对象具有高分辨率和精度、清晰的细节和光滑的表面光洁度。SLA是非常通用的，可以应用于许多不同的使用案例，因为光聚合物树脂配方具有广泛的光学、机械和热性能，以匹配标准、工程和工业热塑性塑料。

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看到增材制造过程的规模、多样性和不同的用例是令人惊讶的。

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Formlabs的3D打印机使用自下而上的方向。桌面3D打印机通常采用这种方法。

直射光处理．DLP几乎与SLA相同，不同的是它使用了一个数字光投影仪屏幕来同时闪烁每一层的单一图像。每一层由方形像素组成，称为体素，因为放映机是一个数字屏幕。在某种程度上，它类似于SLA的8位祖先，就像8位绘图具有更明确的单个正方形像素一样。由于每一层都是一次性暴露的，因此与按截面固化一层的SLA相比，DLP的打印时间更快。⁴

连续直射光处理．CDLP又称CLIP(连续液体界面生产)，与DLP生产物体的方法相同，但依赖于液体界面连续运动的造板上Z设在。这导致更快的构建时间，因为打印机不需要停止和分离部分从构建版后，每层生产。

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粉床融合

PBF技术使用热源来诱导塑料或金属粉末颗粒之间一次一层的熔合、烧结或熔化，从而产生固体部件。大多数PBF技术都有将薄薄的粉末层铺展和平滑的机制，这导致最终组件在构建完成后被封装在粉末中。最常见的应用是功能性物体，复杂的管道(空心设计)，和低运行部件生产。

PBF技术的主要变化来自于不同的能源来源，如激光或电子束，以及在此过程中使用的粉末，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对象更加容易。

金属和塑料PBF物体通常都是坚固和坚硬的，其机械性能与大块材料相当，有时甚至更好。有一系列的后处理方法可以给物体一个非常光滑的表面。因此，PBF经常被用于制造航空航天、汽车、医疗和牙科行业应用的功能性金属部件。

PBF的局限性往往是在加工过程中表面粗糙和收缩或变形，以及粉末处理和处置带来的挑战。

选择性激光烧结．SLS是工业应用中最常见的增材制造技术。这项技术起源于20世纪80年代末的德克萨斯大学奥斯汀分校。⁶SLS 3D打印机使用大功率CO₂激光熔化小颗粒的聚合物粉末。

SLS过程遵循以下步骤:

1. 首先，床上撒满粉末。
2. 然后将打印机内部加热到接近粉末的熔点。这允许激光有效地完成热启动和烧结，或合并，粉末材料创建一个坚实的结构。这个步骤会一层一层地重复，直到对象完成。
3. 最后，该物体仍然包裹在松散的粉末中，用刷子和加压空气清洗。

与SLA和FDM相比，SLS不需要对象具有支持结构。这是因为未熔合的粉末在印刷过程中支撑着零件。这使得SLS成为具有复杂几何形状(包括内部特征、下切和负特征)的对象的理想选择。用SLS打印技术生产的零件通常具有优良的机械特性，这意味着它们非常坚固。薄壁的物体不能打印，因为有最小1mm的限制，而且大型模型的薄壁在冷却后可能会变形。

选择性激光烧结最常见的材料是聚酰胺(尼龙)，这是一种机械性能优良的工程热塑性塑料。尼龙是轻质，坚固，灵活，以及稳定的抗冲击，化学品，热，紫外线，水和污垢。铝，灰色铝粉和聚酰胺的混合物，和橡胶类材料也可以使用。

单件低成本、高生产率和成熟材料的结合，使SLS成为工程师们功能性原型的热门选择，是有限运行或桥梁制造中注塑成型的一种具有成本效益的替代方案。

选择性激光熔化和直接金属激光烧结．SLM和DMLS都是通过类似于SLS的方法来生成对象的。但是，与SLS不同的是，SLM和DMLS用于金属零件的生产。SLM将粉末完全融化，而DMLS将粉末加热到接近熔化温度，直到它发生化学聚变。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在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，拥有最大的安装基地。

电子束融化．循证医学使用高能光束而不是激光来诱导金属粉末粒子之间的聚变。聚焦电子束扫描一层薄薄的粉末，这导致在特定的截面上局部熔化和凝固。电子束系统的一个优点是，它们在物体中产生的残余应力更少，这意味着对支撑结构的需求更少。与SLM和DMLS相比，EBM消耗的能量更少，生产层数更快。然而，最小特征尺寸、粉末颗粒尺寸、层厚度和表面光洁度的质量通常低于SLM和DMLS。循证医学要求物体在真空中产生，该过程只能用于导电材料。²

Multijet融合．MJF本质上是SLS技术和材料喷射技术的结合。一种带有喷嘴的托架，类似于喷墨打印机中使用的喷嘴，通过打印区域，将熔剂沉积在一层塑料粉末上。同时，在靠近零件边缘处印刷一种抑制烧结的细化剂。然后，一个高功率红外辐射能量源通过构建床和烧结区域的熔剂散布，而留下其余的粉末没有接触。这个过程重复，直到对象完成。

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材料喷射

在所有的增材制造工艺中，材料喷射与喷墨打印工艺最为相似。与喷墨打印机将墨水一层一层地喷到纸上的方式相同，材料喷射将材料沉积到构建表面上。然后使用紫外线固化或硬化该层。这样一层一层地重复，直到完成对象。由于这种材料是滴状沉积的，所以这种材料仅限于在紫外线或高温下固化或硬化的光致聚合物、金属或蜡。

材料喷射是理想的现实原型，提供卓越的细节，高精度，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。这使得这个过程非常适合低成本的注射模具和医疗模型。它还允许用可溶解的材料打印支撑结构，这种材料在建造后很容易被移除。材料喷射技术的主要缺点是成本高和uv活化光致聚合物的力学性能较差。

纳米颗粒喷射．NPJ是一种将含有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的过程。然后，液体通过数千个喷嘴以极薄的液滴层喷射到构建托盘上，类似于喷墨打印机。建筑内部的高温导致液体蒸发，留下一个金属物体。

Drop-on-demand．DOD材料喷射打印机有两种打印喷咀:一种用于沉积构建材料，通常是蜡状液体，另一种用于可溶解的支撑材料。与材料挤压类似，DOD打印机遵循预定的路径，并以点的方式沉积材料，以建立一个对象的层。这台机器还使用了一个飞刀，一个单点切割工具，在每一层后的构建区域，以确保打印下一层之前，一个完美的平面。DOD技术通常用于生产蜡样的失蜡铸造(用于复制原来的雕塑铸造的金属雕塑)和模具制造应用。⁹

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粘结剂喷射

粘结剂喷射工艺，也称为3DP，使用两种材料:粉末和粘结剂。粘合剂，通常是一种液体，作为粉末的粘合剂。打印头，很像喷墨打印机里的那个，在纸上水平移动x而且y轴来沉积交替层的粉末和粘合剂。当每一层被打印时，放置粉末层的平台就会降低。这将重复，直到完成该对象。与SLS一样，该对象不需要支撑结构，因为粉末床作为支撑。粉末材料可以是陶瓷材料，如玻璃或石膏，也可以是金属材料，如不锈钢。

基于陶瓷的粘合剂喷射，使用陶瓷粉末作为材料，最适合需要复杂设计的美学应用，如建筑模型、包装、砂型铸造模具和人体工程学验证。它不用于功能原型，因为创建的对象非常脆弱。

金属粘结剂喷射，使用金属粉末作为材料，非常适合功能部件，比SLM或DMLS金属部件更经济有效。然而，缺点是金属零件的机械性能较差。

发明活页夹喷射技术的人还发明了桌面金属(Desktop Metal)，这是一个使用这种技术的3D打印机系统。

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直接能量沉积

DED通过熔化粉末材料来制造物体，类似于材料挤压。它主要用于金属粉末或金属丝，通常被称为金属沉积，因为它是金属独有的。DED依赖于密集的支撑结构，这对于从头开始制造零部件来说并不理想。这使得它最适合修复或添加材料到现有的物体，如涡轮叶片。

相对论空间公司用金属直接能来打印火箭部件。由于需要制造的部件的大小，它使用了一台定制的机器。

激光粉末成形．激光粉末成形也以其专有名称而闻名，LENS(激光工程网络成形)，在桑迪亚国家实验室开发。该工艺使用一个沉积头，包括一个激光头，粉末分配喷嘴和惰性气体管。沉积头将粉末从喷嘴喷射出来，一层一层地形成物体。激光在建筑区域形成一个熔化池，粉末被喷射到熔化池中，在那里熔化然后固化。

电子束增材制造．EBAM使用电子束通过焊接金属粉末或金属线来制造金属物体。与使用激光的激光粉末成形相比，电子束的效率更高，而且是在真空下工作的，这是最初为太空使用而设计的。⁵

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表纹理

薄板层压工艺包括LOM(复合材料制造)和UAM(超声增材制造)。你可能对lom很熟悉，它基本上与你小时候使用的覆膜机使用的技术相同。要压纸，你要把纸放在由两种塑料组成的压膜袋里:外层是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，内层是EVA(乙烯-醋酸乙烯)。然后，加热的滚筒将袋的两面粘在一起，使纸张完全包裹在塑料中。构建对象使用相同的基本过程。

另一方面，UAM通过融合和堆叠金属条、薄片或丝带来制造金属物体。这些层是用超声波焊接在一起的。这一过程是在一台能够CNC(计算机数控)的机器上完成的，因为工件层是建立的。该工艺要求去除未结合的金属，通常在焊接过程中。UAM使用铝、铜、不锈钢和钛等金属。这一过程可以粘合不同的材料，以快速的速度建造，并实际制造大型物体，而由于金属没有熔化，因此所需的能量相对较少。

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未来

利用多种不同的材料，从数字文件快速转换为实物的能力，让你创造出只有在最疯狂的梦中才能想象到的东西。增材制造使个人和公司无需第三方制造商就可以进行创造，使他们能够更快地从想法到原型。增材制造甚至被用于太空。我们刚刚开始设想增材制造的所有应用。请继续关注人们在未来会建造什么。

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致谢

感谢Jordan Noone (@thejordannoone)及Michael Fogleman (@FogleBird)阅读本文的初稿。

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