三、粉床融合

△粉末床融合

粉末床融合 (PBF) 是一種3D打印工藝，其中熱能源選擇性地熔化構建區域內的粉末顆粒（塑料、金屬或陶瓷），以逐層創建固體物體。粉末床融合 3D 打印機在打印床上散布一層薄薄的粉末材料，通常使用一種刀片、滾筒或擦拭器。來自激光的能量融合粉末層上的特定點，然后沉積另一個粉末層并融合到前一層。重復該過程，直到制造出整個物體，最終產品由未融合的粉末包裹和支撐。

△金屬激光粉末床熔合工藝

PBF 可以制造具有高機械性能（包括強度、耐磨性和耐用性）的部件，用于消費品、機械和工具的最終用途。該細分市場中的3D打印機越來越便宜（起價在 25,000 美元左右），但它被認為是一種工業技術。

●3D打印技術的種類：選擇性激光燒結（SLS）、激光粉末床熔化（LPBF）、電子束熔化（EBM）

●材料：塑料粉末、金屬粉末、陶瓷粉末

●尺寸精度：±0.3%（下限±0.3mm）

●常見應用：功能部件、復雜管道（空心設計）、小批量部件生產

●優勢：功能部件、出色的機械性能、復雜的幾何形狀

●缺點：機器成本較高，通常是高成本材料，建造速度較慢

1.選擇性激光燒結 (SLS)

△Sinterit 的 SLS 3D 打印部件

選擇性激光燒結 (SLS) 使用激光從塑料粉末中制造物體。首先，將一箱聚合物粉末加熱到剛好低于聚合物熔點的溫度。然后使用重涂刀片或擦拭器將一層非常薄的粉末材料（通常為 0.1 毫米厚）沉積到構建平臺上。激光開始根據數字模型中布置的圖案掃描表面。激光選擇性地燒結粉末并凝固物體的橫截面。當掃描整個橫截面時，構建平臺在高度上向下移動一層厚度。重涂刀片在最近掃描的層上沉積一層新的粉末，激光將物體的下一個橫截面燒結到先前固化的橫截面上。

△可以手動或自動對 SLS 3D 打印部件進行除粉和清潔

重復這些步驟，直到制造出所有物體。未燒結的粉末保留在原位以支撐物體，這減少或消除了對支撐結構的需要。從粉末床中取出零件并進行清潔后，無需其他必要的后處理步驟。零件可以拋光、涂層或著色。SLS 3D 打印機之間有許多差異化因素，不僅包括它們的尺寸，還包括激光的功率和數量、激光的光斑大小、加熱床的時間和方式以及粉末的分布方式等。SLS 3D 打印中最常見的材料是尼龍（PA6、PA12），但也可以使用 TPU 和其他材料打印出柔韌的部件。

△SLS 3D 打印機使用聚合物粉末和激光來形成固體零部件

2.微選擇性激光燒結 (μSLS)

μSLS 屬于 SLS 或下文所述的激光粉末床融合 (LPBF)的技術。它使用激光來燒結粉末狀材料，例如 SLS，但這種材料通常是金屬而不是塑料，因此它更像是 LPBF。它是另一種微型 3D 打印技術，可以以微型（低于 5 μm）的分辨率創建零件。

△來自 3D MicroPrint 的金屬 3D 微打印

在 μSLS 中，將一層金屬納米顆粒墨水涂在基材上，然后干燥以產生均勻的納米顆粒層。接下來，使用數字微鏡陣列圖案化的激光用于加熱納米粒子并將其燒結成所需的圖案。然后重復這組步驟以在 μSLS 系統中構建 3D 部件的每一層。

3.激光粉末床融合 (LPBF)

△顯示 SLM 精度的 Xact Metal 測試件（來源：Xact Metal）

在所有 3D 打印技術中，這一項的別名最多。這種金屬 3D 打印方法的正式名稱為激光粉末床熔化 (LPBF)，也被廣泛稱為直接金屬激光燒結 (DMLS) 和選擇性激光熔化 (SLM)。在這項技術發展的早期，機器制造商為相同的過程創建了自己的名稱，這些名稱一直沿用至今。特別指出，上述這三個術語指的是同一過程，即使某些機械細節有所不同。

作為粉末床融合的一種子類型，LPBF 使用一個金屬粉末床和一個或多個（最多 12 個）高功率激光器。LPBF 3D 打印機使用激光在分子基礎上逐層選擇性地將金屬粉末融合在一起，直到模型完成。LPBF是一種高度精確的 3D 打印方法，通常用于為航空航天、醫療和工業應用創建復雜的金屬零件。

△Sandvik 的 LPBF 金屬 3D 打印

與 SLS 一樣，LPBF 3D 打印機從分成切片的數字模型開始。打印機將粉末裝入構建室，然后用刮刀（如擋風玻璃刮水器）或滾筒將其在構建板上鋪成薄層。激光將層追蹤到粉末上。然后構建平臺向下移動，再涂上一層粉末并與第一層融合，直到構建出整個物體。構建室是封閉的、密封的，并且在許多情況下充滿了惰性氣體，例如氮氣或氬氣混合物，以確保金屬在熔化過程中不會氧化，并有助于清除熔化過程中的碎屑。打印后，零件從粉末床中取出、清洗，并經常進行二次熱處理以消除應力。剩余的粉末被回收再利用。

LPBF 3D 打印機的差異化因素包括激光器的類型、強度和數量。小型緊湊型 LPBF 打印機可能有一個 30 瓦的激光器，而工業版本可能有 12 個 1,000 瓦的激光器。LPBF 機器使用常見的工程合金，例如不銹鋼、鎳高溫合金和鈦合金。有數十種金屬可用于 LPBF 工藝。

△來自 One Click Metal、Farsoon、Kurtz Ersa 的 LPBF 3D 打印機。

3.電子束熔煉 (EBM)

△電子束熔化 (EBM)

EBM，也稱為電子束粉末床熔合 (EB PBF)，是一種類似于 LPBF 的金屬 3D 打印方法，但使用電子束而不是光纖激光器。該技術用于制造零件，例如鈦骨科植入物、噴氣發動機的渦輪葉片和銅線圈。

電子束產生更多的能量和熱量，這是某些金屬和應用所需要的。而且EBM 不是惰性氣體環境，而是在真空室中進行，以防止光束散射。構建室溫度最高可達 1,000 °C，在某些情況下甚至更高。因為電子束使用電磁束控制，所以它的移動速度比激光快，甚至可以分開以同時曝光多個區域。

△來自 JEOL、GE Additive 和 Wayland Additive 的電子束熔化 (EBM) 金屬 3D 打印機。

EBM 優于 LPBF 的優勢之一是它能夠處理導電材料和反射金屬，例如銅。EBM 的另一個特點是能夠在構建室中將單獨的部件相互嵌套或堆疊，因為它們不一定必須連接到構建板上，這大大增加了體積輸出。與激光相比，電子束通常會產生更大的層厚度和更粗糙的表面特征。由于構建室中的高溫，EBM 打印部件可能不需要通過打印后熱處理來消除應力。

四、材料噴射

△材料噴射

材料噴射是一種 3D 打印工藝，其中微小的材料液滴被沉積，然后在構建板上固化或固化。使用暴露在光線下會固化的光敏聚合物或蠟滴，一次一層地構建物體。材料噴射過程的性質允許在同一物體上打印不同的材料。這種技術的一個應用是制造多種顏色和紋理的零件。

●3D 打印技術的類型：材料噴射 (MJ)、納米粒子噴射 (NPJ)

●材料：光敏樹脂（標準、澆注、透明、耐高溫）、蠟

●尺寸精度：±0.1 mm

●常見應用：全彩產品原型、類似注塑模具的原型、低運行注塑模具、醫療模型、時裝

●優勢：帶紋理的表面光潔度、全彩和多種材料可用

●缺點：材料有限，不適合要求精密的機械零件，成本高于用于視覺目的的其他樹脂技術

1.材料噴射 (M-Jet)

△Stratasys 的材料噴射 3D 打印部件

聚合物的材料噴射 (M-Jet) 是一種 3D 打印工藝，其中一層光敏樹脂被選擇性地沉積到構建板上并用紫外線 (UV) 光固化。在一層沉積和固化后，構建平臺降低一層厚度，重復該過程以構建 3D 對象。M-Jet 將樹脂 3D 打印的高精度與線材 3D 打印 (FDM) 的速度相結合，以創建具有逼真的顏色和紋理的零件和原型。

所有材料噴射3D打印技術都不完全相同。打印機制造商和專有材料之間存在差異。M-Jet 機器以逐行方式從多排打印頭沉積構建材料。這種方法使打印機能夠在不影響構建速度的情況下在一條線上制造多個對象。只要模型在構建平臺上正確排列，并優化每條構建線內的空間，M-Jet 就可以比許多其他類型的樹脂 3D 打印機更快地生產零件。

△來自 Stratasys、DP Polar / 3D Systems 和 Mimaki 的材料噴射 3D 打印機

用 M-Jet 制造的物體需要支撐，它在構建過程中由可溶解材料同時打印，該材料在后處理階段被去除。M-Jet 是為數不多的 3D 打印技術之一，可提供由多材料打印和全彩色制成的物體。材料噴射機沒有愛好者版本，這些機器更適用于汽車制造商、工業設計公司、藝術工作室、醫院和所有類型的產品制造商的專業人士，他們希望創建準確的原型來測試概念并更快地將產品推向市場。與桶聚合技術不同，M-Jet 不需要后固化，因為打印機中的紫外線會完全固化每一層。

氣溶膠射流

Aerosol Jet 是一家名為 Optomec 的公司開發的一項獨特技術，主要用于 3D 打印電子產品。電阻器、電容器、天線、傳感器和薄膜晶體管等組件均采用氣溶膠噴射技術打印。它可以粗略地比作噴漆，但它與工業涂層工藝的區別在于它可以用于打印完整的 3D 物體。

將電子墨水放入霧化器中，霧化器會產生直徑在 1 至 5 微米之間的液滴。然后氣溶膠霧被輸送到沉積頭，被鞘氣聚焦，從而產生高速粒子噴霧。由于整個過程使用了能量，該技術有時也被稱為定向能量沉積，但由于材料在這種情況下呈液滴狀，因此我們將其包含在材料噴射中。

塑料自由成型

德國公司 Arburg 創造了一種稱為塑料自由成型 (APF) 的技術，它是擠出技術和材料噴射技術的結合。它使用市售的塑料顆粒，這些塑料顆粒在注塑成型過程中熔化并移至卸料單元。高頻噴嘴關閉產生每秒多達 200 個直徑在 0.2 至 0.4 毫米之間的塑料小液滴的快速打開和關閉運動。液滴在冷卻時與硬化材料結合。一般來說，不需要后期處理。如果使用了支撐材料，則必須將其移除。

2.納米粒子噴射 (NPJ)

△使用納米粒子噴射技術和 XJet 3D 打印機創建的金屬部件

NanoParticle Jetting (NPJ) 是為數不多的難以歸類的專有技術之一，由一家名為 XJet 的公司開發，它使用帶有數千個噴墨噴嘴的打印頭陣列，可同時將數百萬個超細材料滴噴射到超薄層的構建托盤上，同時同時噴射支撐材料。金屬或陶瓷顆粒懸浮在液體中。該過程在高溫下發生，噴射時液體蒸發，大部分只留下金屬或陶瓷材料。生成的 3D 部件僅殘留少量粘合劑，這些粘合劑在燒結后處理中被去除。

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