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三、粉床融合

△粉末床融合

粉末床融合 (PBF) 是一种3D打印工艺，其中热能源选择性地熔化构建区域内的粉末颗粒（塑料、金属或陶瓷），以逐层创建固体物体。粉末床融合 3D 打印机在打印床上散布一层薄薄的粉末材料，通常使用一种刀片、滚筒或擦拭器。来自激光的能量融合粉末层上的特定点，然后沉积另一个粉末层并融合到前一层。重复该过程，直到制造出整个物体，最终产品由未融合的粉末包裹和支撑。

△金属激光粉末床熔合工艺

PBF 可以制造具有高机械性能（包括强度、耐磨性和耐用性）的部件，用于消费品、机械和工具的最终用途。该细分市场中的3D打印机越来越便宜（起价在 25,000 美元左右），但它被认为是一种工业技术。

●3D打印技术的种类：选择性激光烧结（SLS）、激光粉末床熔化（LPBF）、电子束熔化（EBM）

●材料：塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末

●尺寸精度：±0.3%（下限±0.3mm）

●常见应用：功能部件、复杂管道（空心设计）、小批量部件生产

●优势：功能部件、出色的机械性能、复杂的几何形状

●缺点：机器成本较高，通常是高成本材料，建造速度较慢

1.选择性激光烧结 (SLS)

△Sinterit 的 SLS 3D 打印部件

选择性激光烧结 (SLS) 使用激光从塑料粉末中制造物体。首先，将一箱聚合物粉末加热到刚好低于聚合物熔点的温度。然后使用重涂刀片或擦拭器将一层非常薄的粉末材料（通常为 0.1 毫米厚）沉积到构建平台上。激光开始根据数字模型中布置的图案扫描表面。激光选择性地烧结粉末并凝固物体的横截面。当扫描整个横截面时，构建平台在高度上向下移动一层厚度。重涂刀片在最近扫描的层上沉积一层新的粉末，激光将物体的下一个横截面烧结到先前固化的横截面上。

△可以手动或自动对 SLS 3D 打印部件进行除粉和清洁

重复这些步骤，直到制造出所有物体。未烧结的粉末保留在原位以支撑物体，这减少或消除了对支撑结构的需要。从粉末床中取出零件并进行清洁后，无需其他必要的后处理步骤。零件可以抛光、涂层或着色。SLS 3D 打印机之间有许多差异化因素，不仅包括它们的尺寸，还包括激光的功率和数量、激光的光斑大小、加热床的时间和方式以及粉末的分布方式等。SLS 3D 打印中最常见的材料是尼龙（PA6、PA12），但也可以使用 TPU 和其他材料打印出柔韧的部件。

△SLS 3D 打印机使用聚合物粉末和激光来形成固体零部件

2.微选择性激光烧结 (μSLS)

μSLS 属于 SLS 或下文所述的激光粉末床融合 (LPBF)的技术。它使用激光来烧结粉末状材料，例如 SLS，但这种材料通常是金属而不是塑料，因此它更像是 LPBF。它是另一种微型 3D 打印技术，可以以微型（低于 5 μm）的分辨率创建零件。

△来自 3D MicroPrint 的金属 3D 微打印

在 μSLS 中，将一层金属纳米颗粒墨水涂在基材上，然后干燥以产生均匀的纳米颗粒层。接下来，使用数字微镜阵列图案化的激光用于加热纳米粒子并将其烧结成所需的图案。然后重复这组步骤以在 μSLS 系统中构建 3D 部件的每一层。

3.激光粉末床融合 (LPBF)

△显示 SLM 精度的 Xact Metal 测试件（来源：Xact Metal）

在所有 3D 打印技术中，这一项的别名最多。这种金属 3D 打印方法的正式名称为激光粉末床熔化 (LPBF)，也被广泛称为直接金属激光烧结 (DMLS) 和选择性激光熔化 (SLM)。在这项技术发展的早期，机器制造商为相同的过程创建了自己的名称，这些名称一直沿用至今。特别指出，上述这三个术语指的是同一过程，即使某些机械细节有所不同。

作为粉末床融合的一种子类型，LPBF 使用一个金属粉末床和一个或多个（最多 12 个）高功率激光器。LPBF 3D 打印机使用激光在分子基础上逐层选择性地将金属粉末融合在一起，直到模型完成。LPBF是一种高度精确的 3D 打印方法，通常用于为航空航天、医疗和工业应用创建复杂的金属零件。

△Sandvik 的 LPBF 金属 3D 打印

与 SLS 一样，LPBF 3D 打印机从分成切片的数字模型开始。打印机将粉末装入构建室，然后用刮刀（如挡风玻璃刮水器）或滚筒将其在构建板上铺成薄层。激光将层追踪到粉末上。然后构建平台向下移动，再涂上一层粉末并与第一层融合，直到构建出整个物体。构建室是封闭的、密封的，并且在许多情况下充满了惰性气体，例如氮气或氩气混合物，以确保金属在熔化过程中不会氧化，并有助于清除熔化过程中的碎屑。打印后，零件从粉末床中取出、清洗，并经常进行二次热处理以消除应力。剩余的粉末被回收再利用。

LPBF 3D 打印机的差异化因素包括激光器的类型、强度和数量。小型紧凑型 LPBF 打印机可能有一个 30 瓦的激光器，而工业版本可能有 12 个 1,000 瓦的激光器。LPBF 机器使用常见的工程合金，例如不锈钢、镍高温合金和钛合金。有数十种金属可用于 LPBF 工艺。

△来自 One Click Metal、Farsoon、Kurtz Ersa 的 LPBF 3D 打印机。

3.电子束熔炼 (EBM)

△电子束熔化 (EBM)

EBM，也称为电子束粉末床熔合 (EB PBF)，是一种类似于 LPBF 的金属 3D 打印方法，但使用电子束而不是光纤激光器。该技术用于制造零件，例如钛骨科植入物、喷气发动机的涡轮叶片和铜线圈。

电子束产生更多的能量和热量，这是某些金属和应用所需要的。而且EBM 不是惰性气体环境，而是在真空室中进行，以防止光束散射。构建室温度最高可达 1,000 °C，在某些情况下甚至更高。因为电子束使用电磁束控制，所以它的移动速度比激光快，甚至可以分开以同时曝光多个区域。

△来自 JEOL、GE Additive 和 Wayland Additive 的电子束熔化 (EBM) 金属 3D 打印机。

EBM 优于 LPBF 的优势之一是它能够处理导电材料和反射金属，例如铜。EBM 的另一个特点是能够在构建室中将单独的部件相互嵌套或堆叠，因为它们不一定必须连接到构建板上，这大大增加了体积输出。与激光相比，电子束通常会产生更大的层厚度和更粗糙的表面特征。由于构建室中的高温，EBM 打印部件可能不需要通过打印后热处理来消除应力。

四、材料喷射

△材料喷射

材料喷射是一种 3D 打印工艺，其中微小的材料液滴被沉积，然后在构建板上固化或固化。使用暴露在光线下会固化的光敏聚合物或蜡滴，一次一层地构建物体。材料喷射过程的性质允许在同一物体上打印不同的材料。这种技术的一个应用是制造多种颜色和纹理的零件。

●3D 打印技术的类型：材料喷射 (MJ)、纳米粒子喷射 (NPJ)

●材料：光敏树脂（标准、浇注、透明、耐高温）、蜡

●尺寸精度：±0.1 mm

●常见应用：全彩产品原型、类似注塑模具的原型、低运行注塑模具、医疗模型、时装

●优势：带纹理的表面光洁度、全彩和多种材料可用

●缺点：材料有限，不适合要求精密的机械零件，成本高于用于视觉目的的其他树脂技术

1.材料喷射 (M-Jet)

△Stratasys 的材料喷射 3D 打印部件

聚合物的材料喷射 (M-Jet) 是一种 3D 打印工艺，其中一层光敏树脂被选择性地沉积到构建板上并用紫外线 (UV) 光固化。在一层沉积和固化后，构建平台降低一层厚度，重复该过程以构建 3D 对象。M-Jet 将树脂 3D 打印的高精度与线材 3D 打印 (FDM) 的速度相结合，以创建具有逼真的颜色和纹理的零件和原型。

所有材料喷射3D打印技术都不完全相同。打印机制造商和专有材料之间存在差异。M-Jet 机器以逐行方式从多排打印头沉积构建材料。这种方法使打印机能够在不影响构建速度的情况下在一条线上制造多个对象。只要模型在构建平台上正确排列，并优化每条构建线内的空间，M-Jet 就可以比许多其他类型的树脂 3D 打印机更快地生产零件。

△来自 Stratasys、DP Polar / 3D Systems 和 Mimaki 的材料喷射 3D 打印机

用 M-Jet 制造的物体需要支撑，它在构建过程中由可溶解材料同时打印，该材料在后处理阶段被去除。M-Jet 是为数不多的 3D 打印技术之一，可提供由多材料打印和全彩色制成的物体。材料喷射机没有爱好者版本，这些机器更适用于汽车制造商、工业设计公司、艺术工作室、医院和所有类型的产品制造商的专业人士，他们希望创建准确的原型来测试概念并更快地将产品推向市场。与桶聚合技术不同，M-Jet 不需要后固化，因为打印机中的紫外线会完全固化每一层。

气溶胶射流

Aerosol Jet 是一家名为 Optomec 的公司开发的一项独特技术，主要用于 3D 打印电子产品。电阻器、电容器、天线、传感器和薄膜晶体管等组件均采用气溶胶喷射技术打印。它可以粗略地比作喷漆，但它与工业涂层工艺的区别在于它可以用于打印完整的 3D 物体。

将电子墨水放入雾化器中，雾化器会产生直径在 1 至 5 微米之间的液滴。然后气溶胶雾被输送到沉积头，被鞘气聚焦，从而产生高速粒子喷雾。由于整个过程使用了能量，该技术有时也被称为定向能量沉积，但由于材料在这种情况下呈液滴状，因此我们将其包含在材料喷射中。

塑料自由成型

德国公司 Arburg 创造了一种称为塑料自由成型 (APF) 的技术，它是挤出技术和材料喷射技术的结合。它使用市售的塑料颗粒，这些塑料颗粒在注塑成型过程中熔化并移至卸料单元。高频喷嘴关闭产生每秒多达 200 个直径在 0.2 至 0.4 毫米之间的塑料小液滴的快速打开和关闭运动。液滴在冷却时与硬化材料结合。一般来说，不需要后期处理。如果使用了支撑材料，则必须将其移除。

2.纳米粒子喷射 (NPJ)

△使用纳米粒子喷射技术和 XJet 3D 打印机创建的金属部件

NanoParticle Jetting (NPJ) 是为数不多的难以归类的专有技术之一，由一家名为 XJet 的公司开发，它使用带有数千个喷墨喷嘴的打印头阵列，可同时将数百万个超细材料滴喷射到超薄层的构建托盘上，同时同时喷射支撑材料。金属或陶瓷颗粒悬浮在液体中。该过程在高温下发生，喷射时液体蒸发，大部分只留下金属或陶瓷材料。生成的 3D 部件仅残留少量粘合剂，这些粘合剂在烧结后处理中被去除。

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