各类3D打印技术的制造工艺原理

LOM工艺称为叠层实体制造。英文全称为：Laminated Object Manufacturing。 在我国也被称为分层实体制造SSM (slicing solid manufacturing) 该技术由美国Helisys公司的Michael Feygin于1985年申请专利，1986年研制成功。目前该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。

LOM工艺采用薄片材料(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，用激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

在这种快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品 如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小 方格之后，便可得到三维工件。

纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜、塑料薄膜、复合材料， 此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。

通常为加有某些特殊添加组分的热熔胶，它的性能要求是： (1)良好的热熔冷固性能(室温固化)； (2)在反复“熔融-固化”条件下其物理化学性能稳定； (3)熔融状态下与薄片材料有较好的涂挂性和涂匀性； (4)足够的粘接强度； (5)良好的废料分离性能。

制造性能：相当于高级木材

主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模

1.LOM工艺仅切割外轮廓，内部无需加工，成形速率高； 2.使用小功率CO2激光或低成本刀具，价格低且使用寿命长； 3.造型材料成本低； 4.不存在收缩和翘曲变形，无需支撑等辅助工艺

1.材料浪费严重且材料种类少；

2.表面质量差，制件性能不高； 3.前、后处理费时费力；

4.不能制造中空结构件。

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查克·赫尔被称为3D打印技术之父 查克·赫尔( Chuck Hull ) ，1939年5月12日出生于美国。3D打印技术的发明者，也是3D System公司的联合创始人，兼执行副总裁，兼首席技术官。 1983年，查克·赫尔在一家公司工作时突然萌生了3D打印的想法同年他就发明了SLA 3D打印技术，并将它称作立体平版印刷，3D打印技术也由此正式诞生。 1984年，查克·赫尔申请美国专利。 1986年，查克·赫尔也在加州成立了3D Systems公司。 2014年5月，查克·赫尔进入美国专利商标局的发明家名人堂;还获得欧洲发明家奖提名

用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

工艺过程 1.通过CAD设计出三维实体模型，2.利用离散程序将模型进行切片处理，3.设计扫描路径，4.产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后， 5.当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面;然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。 6.将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

光敏树脂为原料 这种液态材料在一定波长 (=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大材料也就从液态转变成固态。

1.固化前性能稳定，可见光下不发生化学反应;2粘度低; 3.光敏性好;4.固化收缩下;5.溶胀小; 6.半成品强度高; 7.最终固化产物具有良好的机械强度和化学稳定性;8.毒性小。

1.工艺成熟稳定，已有30多年技术积累; 2加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。3.可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。 4尺寸精度高，表面质量好; 5.材料种类丰富，覆盖行业领域广; 6.可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。

1.SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高; 2.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; 3.成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存; 4.预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高;5.软件系统操作复杂，入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。

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未来立体光固化成型法的的发展趋势是高速化，节能环保与微型化。

FDM工艺称为熔融沉积成型又称容融挤出成型工艺英文全称为:Fused Deposition Modeling

FDM技术即光固化快速成型（(SLA）和叠层实体快速成型工艺(LOM ）后的另一种应用比较广泛的3D打印技术路径。

在八十年代未期，3D System公司的设备以及流行起来。但是在同期，出现了另外两种可以3D成型的技术:熔融沉积成型( Fused Deposition Modeling ,FDM)与选择性激光烧结(Selective Laser Sintering , SLS )。1988年FDM技术由斯科特克鲁姆普发明(Scott Crump)，之后其与他的妻子创建了Stratasys公司，并在次年商业化这一技术。1992年售出了第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印产品。 据说是Scotat Crump在家中的厨房使用蜡和塑料的混合材料发明了FDM技术

FDM工艺的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热容化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。

随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较人的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构支撑，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

FDM技术常用材料:蜡、 ABS、PC、PLA、尼龙 制件性能:相当于工程塑料或蜡模

1.原理相对简单，无需激光器等贵重元器件;2是最早实现的开源3D打印技术，用户普及率高;3.对使用环境几乎没有限制，可在家或公室使用;4.原材料以卷轴丝的形式提供，易于运输和更换;5.打印成品强度、韧性都很高。

1.喷头采用机械式结构，打印速度慢; 2.尺寸精度较差，表面相对粗糙; 3.需要设计、制作支撑结构，打印复杂结构模型时，支撑结构很难去除。

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1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者(3D Modeler )”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。由于 FDM工艺不需要激光系统支持，成型材料多为ABS、PLA等热塑性材料，因此性价比较高，是桌面级3D打印机广泛采用的技术路径。 2009年FDM关键技术专利过期，基于FDM的3D打印公司开始大量出现，行业也迎来了快速发展期，相关设备的成本和售价也大幅降低，数据显示，专利到期之后桌面级FDM打印机从超过1万美元下降至几百美元，销售数量也从几千台上升至几万台。

使用FDM技术的设备厂商很多，大多数桌面级3D打印机也都使用的FDM工艺，但是专业级别的当属Stratasys的产品，例如Mojo、uPrint、Projet系列时最为优秀的。

由于FDM工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额人约为30%。 FDM打印技术已被广泛应用于各个领域如∶家电 通信电子汽车医学建筑等等

3DP技术全称:三维印刷(3DP)工艺英文全称:Three-DimensionalPrinting。该工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人在1993年研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP打印技术是最后一种成熟的商用3D打印技术。

3DP打印技术是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。

具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离(等于层厚:0.013~0.1mm) ,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辐推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辐铺粉时多余的粉未被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

3DP技术使用的原材料是粉未状，来源广泛，如:塑料 陶瓷石膏砂金属尼龙复合材料

3DP技术对粉未材料的基本要求 1.颗粒小且均匀 2流动性好，确保供粉系统不堵塞3.液滴喷射冲击时不产生凹坑、溅散和空洞 4.与黏合剂作用后固化迅速

3DP技术对黏合剂的基本要求 1.易于分散且稳定，可长期存储2不腐蚀喷头3.黏度低，表面张力强 4.不易干涸，能缓喷头抗堵塞时间

1.无需激光器等昂贵元器件，设备造价大大降低; 2.成型速度快，成型喷头何用多个喷嘴;3.可使用多种粉未材料，也可以采用彩色的黏合剂; 4.打印过程无需支撑材料;5.工作过程较为清洁; 6.可实现大型件的打印(目前最大可达4m )

1.模型精度和表面质量比较差; 2强度、韧性相对较差，无法适用于功能性试验; 3.原材料价格较贵。

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3DP成型速度快，成型材料种类多，适合做桌面型的快速成型设备，且成型过程不需要支撑，多余粉未的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型，所以3DP技术在建筑业，游戏业，玩具和艺术行业等都有广泛的应用。

sLs工全称:选择性激光烧结 英文名称:selected laser sintering 该技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。

sLs工艺原理 采用红外激作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维 零件的一种快速成形技术。

具体工艺过程:将材料粉沬铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；裁 平;用高强度的CO2激光器上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一走得到零件的截面，并与下面已形成的部分粘结接;当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料.

目前，可成功进行成型加工的材料有石蜡、高分子材料(PC,尼龙，PP，PE等），金属、陶瓷粉末、复合粉未材料。