两种3D打印机的故事（及所有增材制造工艺）
增材制造工艺
材料挤出
材料挤出定义了一种通过熔化和挤出热塑性聚合物长丝，按预定路径逐层构建物体的过程。
材料挤出设备是全球最常见且最便宜的3D打印技术类型，代表了全球最大的3D打印机安装基数。最常见应用包括电气外壳、形状适配测试、夹具和治具以及熔模铸造模式。用于材料挤出工艺的技术被称为熔融沉积建模（FDM）。
熔融沉积建模（FDM）
FDM，也称为熔丝制造（FFF），适用于一系列标准热塑性长丝，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、热塑性聚氨酯（TPU）、尼龙及其各种混合物。
FDM过程分步解析：
- 首先，将一卷热塑性长丝装入打印机。一旦喷嘴加热到正确温度，长丝被送入挤出头和喷嘴中熔化。
- 其次，挤出头连接到三轴系统，允许其在X、Y和Z维度上移动。熔化材料以细丝形式挤出，并逐层沉积在预定位置，在那里冷却和固化。
- 第三，填充区域需要多次通过，类似于用标记笔着色或用牙膏绘制。当一层完成时，构建平台下降或挤出头上升（取决于设备），并沉积新层。重复此过程直到物体完成。
由于这个过程，FDM物体往往有可见的层线，除非经过平滑处理，并且在复杂特征周围可能显示不准确性。
光固化
当光聚合物树脂暴露于特定波长的光并经历化学反应变成固体时，发生光聚合。这是增材技术用于逐层构建物体的常用方法。
光固化工艺非常擅长生产具有精细细节的物体，并提供光滑的表面处理。这使它们成为珠宝、小批量注塑、牙科应用和医疗应用（如助听器）的理想选择。光固化的主要限制是生产物体的脆性，因此不适合机械零件。
立体光刻（SLA）
立体光刻是世界上最早的3D打印技术之一，由Charles Hull于1984年发明。SLA树脂3D打印机使用激光将液体树脂固化成硬化塑料。
SLA过程分步解析：
- 首先，将液体光聚合物填充到桶或槽中。
- 其次，一束集中的紫外光或激光聚焦在桶或槽的表面。光束或激光使用交联或降解特定位置的聚合物来创建所需3D对象的每一层。此步骤逐层重复，直到构建完成3D物理对象。
SLA物体具有高分辨率和准确性、清晰细节和光滑表面处理。SLA也适用于许多不同用例，因为已经生产出具有广泛光学、机械和热性能的光聚合物树脂配方，以匹配标准、工程和工业热塑性塑料的性能。
直接光处理（DLP）
直接光处理与SLA几乎相同，不同之处在于DLP使用数字光投影仪屏幕一次性闪存每层的单个图像。由于投影仪是数字屏幕，每层由称为体素的正方形像素组成。在某种程度上，它几乎像是SLA的8位祖先，就像8位绘图具有更明确的单个方形像素。由于每层一次性曝光，与逐段固化层的SLA相比，DLP可以具有更快的打印时间。
连续直接光处理（CDLP）
连续直接光处理，也称为连续液体界面生产（CLIP），以与DLP相同的方式生产物体。CDLP被称为"连续"，因为它依赖于构建板在Z轴上的连续运动。这导致更快的构建时间，因为打印机不需要在每层生产后停止并将零件从构建板分离。
粉末床熔融（PBF）
粉末床熔融技术使用热源诱导塑料或金属粉末颗粒之间的融合、烧结或熔化，逐层生产固体零件。大多数PBF技术具有铺展和平滑薄层粉末的机制，作为零件构建的一部分，导致最终组件在构建完成后被粉末封装。最常见应用包括功能对象、复杂管道（空心设计）和小批量零件生产。
PBF技术的主要变化来自不同的能源（如激光或电子束）以及过程中使用的粉末（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物体更容易。
金属和塑料PBF物体通常坚固且刚性，机械性能可与块状材料相媲美，有时甚至更好。有大量后处理方法可用，可以使物体具有非常光滑的表面处理。因此，PBF通常用于制造航空航天、汽车、医疗和牙科行业应用的功能性金属零件。
PBF的限制往往是表面粗糙度以及处理过程中的收缩或变形，以及粉末处理和处置带来的挑战。
选择性激光烧结（SLS）
选择性激光烧结是工业应用中最常见的增材制造技术。该技术起源于1980年代末的德克萨斯大学奥斯汀分校。SLS 3D打印机使用高功率CO2激光来融合聚合物粉末的小颗粒。
SLS过程分步解析：
- 首先，床充满粉末。
- 其次，激光烧结或聚结粉末材料创建固体结构。此步骤逐层重复，直到物体完成。
- 最后，仍包裹在松散粉末中的物体用刷子和加压空气清洁。
与SLA和FDM不同，SLS的好处是它不需要物体具有支撑结构。这是因为未熔化的粉末在打印过程中支撑零件。这使得SLS成为具有复杂几何形状（包括内部特征、底切和负特征）物体的理想选择。使用SLS打印生产的零件通常具有优异的机械特性，意味着它们非常坚固。然而，由于最小1毫米的限制，薄壁物体可能无法打印，并且大型模型中的薄壁在冷却后可能翘曲。
选择性激光烧结最常见的材料是聚酰胺（尼龙），这是一种具有出色机械性能的流行工程热塑性塑料。尼龙重量轻、坚固且柔韧，并且对冲击、化学品、热、紫外线、水和污垢稳定。铝酰胺（灰色铝粉末和聚酰胺的混合物）和类橡胶材料也可以使用。
低单件成本、高生产率和成熟材料的结合使SLS成为工程师功能原型制作的热门选择，以及小批量或过渡制造注塑成型的经济有效替代方案。
选择性激光熔化（SLM）和直接金属激光烧结（DMLS）
选择性激光熔化和直接金属激光烧结都通过类似于SLS的方法生产物体。与SLS不同，SLM和DMLS用于金属零件的生产。SLM完全熔化粉末，而DMLS将粉末加热到接近熔化温度，直到其化学融合。DMLS仅适用于合金，而SLM可以使用单组分金属，如铝。
与SLS不同，SLM和DMLS需要支撑结构来补偿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是最成熟的金属增增材制造工艺，拥有最大的安装基数。
电子束熔化（EBM）
电子束熔化使用高能束而不是激光来诱导金属粉末颗粒之间的融合。聚焦的电子束扫描薄层粉末，导致特定横截面积上的局部熔化和固化。电子束系统的好处是它们在物体中产生较少的残余应力，意味着对支撑结构的需求较少。EBM还使用较少能量，并且可以比SLM和DMLS更快地生产层。然而，最小特征尺寸、粉末颗粒尺寸、层厚度和表面处理通常比SLM和DMLS质量低。
EBM要求物体在真空中生产，并且该过程只能用于导电材料。
多射流熔融（MJF）
多射流熔融本质上是SLS和材料喷射技术的组合。带有喷墨喷嘴（类似于喷墨打印机中使用的喷嘴）的托架通过打印区域，在薄层塑料粉末上沉积熔融剂。同时，抑制烧结的细化剂打印在零件边缘附近。然后高功率红外辐射（IR）能源通过构建床并烧结熔融剂分散的区域，而其余粉末保持不动。重复此过程直到物体完成。
材料喷射
材料喷射最类似于喷墨打印过程。就像喷墨打印机将墨水逐层打印到纸上一样，材料喷射将材料沉积到构建表面上。然后使用紫外（UV）光固化或硬化该层。逐层重复此过程直到物体完成。由于材料以液滴形式沉积，材料限于光聚合物、金属或蜡，这些材料在暴露于UV光或升高温度时固化或硬化。
材料喷射是理想的实际原型制作，提供出色的细节、高准确性和光滑表面处理。材料喷射允许设计师在单次打印中以多种颜色和多种材料打印。这使其非常适合小批量注塑模具和医疗模型。由于材料喷射允许在单次打印中使用多种材料，支撑结构可以用可溶解材料打印，在构建后易于移除。材料喷射技术的主要缺点是UV激活光聚合物的高成本和脆性机械性能。
纳米颗粒喷射（NPJ）
纳米颗粒喷射是一个过程，通过该过程，含有金属纳米颗粒或支撑纳米颗粒的液体通过盒式磁带装入打印机。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。建筑室内的高温导致液体蒸发，留下金属物体。
按需滴落（DOD）
按需滴落材料喷射打印机有两个打印喷射器：一个用于沉积构建材料（通常是蜡状液体），另一个用于可溶解的支撑材料。类似于材料挤出，DOD打印机遵循预定路径并以点状方式沉积材料以构建物体的层。这些机器还采用飞刀，一种单点切割工具，在每层之后修整构建区域，以确保在打印下一层之前完全平坦的表面。DOD技术通常用于生产用于失蜡铸造的蜡状图案，用于从原始雕塑铸造复制金属雕塑，以及模具制造应用。
粘结剂喷射
粘结剂喷射过程，也称为3DP，使用两种材料：粉末和粘结剂。粘结剂（通常是液体）充当粉末的粘合剂。打印头（类似于喷墨打印机中的打印头）在x和y轴上水平移动，以沉积粉末材料和粘结剂的交替层。支撑粉末床的平台在每层打印时降低。重复此过程直到物体完成。像SLS一样，物体不需要支撑结构，因为粉末床充当支撑。粉末材料可以是陶瓷基（如玻璃或石膏）或金属（如不锈钢）。
陶瓷基粘结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。它不适用于功能原型，因为创建的物体相当脆。
金属粘结剂喷射使用金属粉末作为材料，非常适合功能组件，并且比SLM或DMLS金属零件更具成本效益。然而，缺点是金属零件具有较差的机械性能。
直接能量沉积（DED）
直接能量沉积通过在沉积时熔化粉末材料来创建物体，类似于材料挤出。它主要用于金属粉末或线材，并且通常被称为金属沉积，因为它专用于金属。DED依赖于密集的支撑结构，这对于从零开始创建零件并不理想，这使其最适合修复或向现有物体（如涡轮叶片）添加材料。
激光工程净成形（LENS）
激光工程净成形利用沉积头，该头由激光头、粉末分配喷嘴和惰性气体管组成。沉积头在从喷嘴喷射时熔化粉末，以逐层构建物体。激光在构建区域上创建熔池，并将粉末喷涂到池中，在那里熔化然后固化。
电子束增材制造（EBAM）
电子束增材制造使用电子束通过焊接金属粉末或线材来创建金属物体。与使用激光的LENS不同，电子束更高效并在真空中操作，最初设计用于太空。
片材层压
片材层压工艺包括分层物体制造（LOM）和超声波增材制造（UAM）。您可能熟悉层压机，我小时候有一个。要层压一张纸，您将纸放入所谓的层压机袋中。袋子由两种塑料组成：外层聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和内层乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）。然后加热辊将袋子的两侧粘合在一起，这样当完成时，纸完全封装在塑料中。
超声波增材制造通过融合和堆叠金属条、片或带来构建金属物体。层使用超声波焊接绑定在一起。该过程在能够计算机数控（CNC）铣削工件的机器上完成，随着层的构建。该过程需要移除未结合的金属，通常在焊接过程中。UAM使用金属如铝、铜、不锈钢和钛。该过程可以粘合不同材料，以快速速率构建，并实际制造大型物体，同时需要相对较少的能量，因为金属不熔化。
试用产品
既然我们对FDM和SLA有了更多了解，我可以告诉您使用这些技术构建的产品的体验。作为前言，我个人寻找的是产品，意味着易于设置、易于使用，并包括硬件和软件之间的完全集成体验。我不想要需要维护或调试的东西，因为我宁愿它只是工作。我可以理解其他人可能根据他们的决策矩阵在市场上寻找某些东西，但这是我的。
对于试用FDM，我决定购买MakerBot Replicator+。我选择这台打印机主要是因为它是一个经典。MakerBot有一个伟大的社区，有Thingiverse，他们的网站用于共享和修改3D模型。有趣的是，第一个Makerbot产品是开源的，当他们从开源模型转向后期产品的封闭时，他们似乎冷落了开源社区。
Makerbot自2009年以来一直存在，我认为通过11年的3D打印产品经验，他们应该，希望，已经搞定了。他们还有一个iPad应用程序，您可以使用它从Thingiverse打印任何模型。我在iPad上使用Shapr3D创建模型，所以这似乎超级方便。我可以在Shapr3D中创建我的模型，上传到Thingiverse，并从我的iPad打印。MakerBot还有一个摄像头，这样您可以从iPad应用程序观看3D打印过程。
对于SLA，我得到了Form Labs Form 3。用于打印模型的软件称为PreForm，可在Mac或Windows上运行。虽然Form 3没有iPad应用程序，但他们有一个在线仪表板。您可以使用它来跟踪打印进度。拥有在线仪表板至少朝着正确的方向前进，以便如果他们在未来实现从仪表板打印，就能够从我的iPad打印。像Makerbot一样，Form Labs是Netflix纪录片《Print the Legend》的一部分。Form 3是他们产品的第三次修订，所以我希望所有问题现在都已经解决。
我将首先介绍两台机器的设置过程，然后我们可以比较打印质量以及每台机器打印相同模型所需的时间。
MakerBot Replicator+
上面是设置过程中打印机的图片。我决定从iPad应用程序设置MakerBot，因为这主要是我使用它的地方。如果您曾经购买过物联网设备，您可能熟悉在移动设备上加入物联网设备的WiFi网络，然后将主网络配置为您的WiFi网络的工作流程。这与MakerBot的设置过程相同。
MakerBot iOS应用程序有些不足。它感觉笨重、不灵敏、非原生且缓慢。有点像我期望由具有硬件专业知识而不是软件专业知识的开发人员编写的应用程序的感觉。从我的iPad设置网络多次失败，所以我决定改用旧Android手机。同样，Android应用程序感觉笨重且非原生。它甚至要求我进入Android设置并授予应用程序更多权限，而不是仅仅提示我权限……但最后我通过Android应用程序设置了打印机。现在我的打印机显示在我的Makerbot账户在Android设备上，我可以完成设置过程。
习惯了云，我期望我的打印机只是出现在我的iPad应用程序上，因为我登录了我的MakerBot账户，我在Android设备上将打印机绑定到该账户。它没有。我必须在iOS MakerBot应用程序中手动输入打印机在本地网络上的IP地址来添加打印机。这似乎是一个不必要的步骤，我的MakerBot账户应该存储该信息，并在我在初始设备上完成设置后同步到我的其他设备。或者MakerBot应用程序应该能够扫描我的本地网络以查找打印机，但我离题了。至少现在它工作了！
我继续进行设备校准和打印初始测试打印。然后继续打印AAA和AA电池座、9V电池座和飞船饼干切割器。我还在Form 3上打印了这些相同模型，我们将在后面进行比较。
Form 3
当Form 3到达时，我在想"哇，这很复杂！" Replicator+装在一个盒子里，而Form 3装在4个单独的盒子里。打开后我意识到这是因为我有打印机、Form Wash和Form Cure以及几种不同的树脂。
下面是我拆箱所有东西后的图片。
Form 3依靠内置触摸屏进行设置。在Replicator+的体验之后，这相当不错。我非常轻松地将其连接到我的WiFi网络并准备打印。由于PreForm软件需要Windows，我必须从食品储藏室拿出一台旧的Windows台式机。软件易于使用，很快我打印了我的第一个作业。我遇到的唯一麻烦是第一次作业上传打印时的预打印步骤。混合器（槽的一部分）有点偏离轨道。在搜索论坛后，我发现这是第一次打印的常见问题，在槽中添加一些树脂后，混合器会表现更好。结果证明这是真的，所以这只是一个小故障！
然后我继续打印AAA和AA电池座、9V电池座和飞船饼干切割器，就像我用Replicator+做的那样。
结果比较
AAA和AA电池座
这在Replicator+上花了9小时37分钟。在Form 3上花了3小时9分钟。下面左边的模型来自Replicator+，右边的模型来自Form 3。正如您可以看出，Form 3的质量更平滑。构建线较少，感觉像一个连续的部件，Form 3模型上没有长丝杂散。Form 3模型中唯一的小缺陷来自我自己移除脚手架的工作不佳。
9V电池座
这在Replicator+上花了2小时15分钟。在Form 3上花了1小时47分钟。下面左边的模型来自Form 3，右边的模型来自Replicator+。同样，Form 3构建了更平滑的模型。然而，除了可见线条外，Replicator+在这个上做得相当好。Form 3模型上的缺陷来自我移除脚手架的糟糕工作。
飞船饼干切割器
这在Replicator+上花了1小时48分钟。在Form 3上花了51分钟。下面左边的模型来自Form 3，右边的模型来自Replicator+。虽然Replicator+在这个设计上做得很好，但Form 3仍然是更平滑的质量。
关于Form 3的一个小细节我真的很喜欢，在打印的底座上（打印后移除），有打印的名称，如下所示。我可以想象，如果您有一堆看起来非常相似但有小差异的零件正在打印，这会很方便。
从以上实验所示，Form 3的质量和构建时间比Replicator+好得多。MakerBot赢的方面是用户体验的某些方面。虽然iPad应用程序需要一些灵敏的改进，但它仍然存在并适用于打印，这是在正确的轨道上。我还希望Form 3有一个内置摄像头，我可以像使用MakerBot一样观看。由于Form 3是SLA，我认为观看会更加刺激，因为我发现自己对观看模型从"粘液"（即树脂）中升起非常感兴趣。总的来说，Form 3很棒，我只能预期他们继续改进！
我希望您享受并从本文中学到一些东西，即使您不在市场上购买3D打印机。将来，如果产品能自动移除支撑，我会很乐意，因为在上面Form 3的图片中，任何缺陷实际上来自我移除支撑结构。我还希望看到某种可靠的质量监控。虽然在3D打印领域已经取得了很大进展，我迫不及待地想看看未来会带来什么。能够使用许多不同材料从数字文件快速到物理对象，可以使许多人创造他们直到现在只能在他们最疯狂的梦想中想象的东西。