今天是2016年9月21日
第二屆中國製造2025與工業4.0全球年會
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伴隨著3D列印技術的不斷發展，3D列印產業也逐漸湧現出各種新型的高端技術。新技術的誕生，無疑促進了整個3D列印行業的加速發展，雖然這給業內的各大企業帶來了不小的壓力，但這更是改變了3D列印一直被冷落的尷尬局面。
今天，小編就帶你看遍目前世界工業界最流行的幾種3D列印工藝技術：
1986年，3D Systems公司創始人Charles Hull發明了光固化成型技術。光固化成型法（StereoLithography，SL或SLA）是指利用紫外光照射液態光敏樹脂發生聚合反應，來逐層 固化並生成三維實體的成型方式。目前，3D列印技術以SLA的研究最為深入，也商業化的最早。
FDM工藝利用紫外線照射液體光敏樹脂使其固化，加工過程中平臺會逐層沉入樹脂槽。
SLA工藝原理如下圖所示。液槽中盛滿液態光敏樹脂，紫外波長的雷射束在偏轉鏡作用下於液面上，按截面輪廓信息掃描，光點經過的地方，受 輻射的液體就固化。
這樣，一次平面掃描便加工出一個與分層平面圖形相對應的層面，並與前一層已固化部分牢固地粘結起來，如此反覆直到整個工件完成。採用 SLA工藝的工件一般還需要後續處理，包括清洗、去支撐、打磨、再固化等，以得到符合要求的產品。
SLA列印工藝原理
FDM成型工藝對於懸臂部位需要支撐，產品和支撐為同一種材質。對於彩色模型，需要後期上色處理。
2000年，以色列Objet公司申請了PolyJet聚合物噴射技術專利，該公司已於2011年被美國Stratasys公司收購。PolyJet技術的成型原理與3DP有點類似，但噴射的不是粘合劑而是樹脂材料。
在不同的3D列印公司，對PolyJet工藝的稱呼不盡相同（如3D Systems公司稱MJP：MultiJet Printing），但其工作原理是一致的。
PolyJet技術採用的是陣列式噴頭，根據模型切片數據，幾百至數千個陣列式噴頭逐層噴射液體光敏樹脂於平臺。
工作時噴射列印頭沿XY 平面運動，當光敏聚合材料被噴射到工作檯上後，滾輪把噴射的樹脂表面處理平整，UV紫外光燈對光敏聚合材料進行固化。完成一層的噴射列印和固化後，設備內 置的工作檯會極其精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的列印和固化。
如此反覆，直到整個工件列印製作完成。
在懸臂結構處需要支撐，支撐材料通常與模型材料不同，工件成型的過程中將使用兩種以上類型的光敏樹脂材料。PolyJet技術可在機外混合多種基礎材料，得到性能更為優異的新材料，極大擴展了該技術在各領域的應用。
1）可同時噴射不同材料，適合多種材料、多色材料同時列印，滿足不同顏色、透明度、剛度等需求。
2）加工精度高，列印層厚低至16微米，產品細節體現非常好。
3）產品通常不適合長期使用。
4）材料價格貴，更換材料、列印過程材料消耗比SLA大，產品成本高。
立體噴墨列印法（Three-Dimension Printing，3DP）是出現很早的一種3D列印技術。1993年由MIT發明，1995年 Z Corporation公司獲得專屬授權，2011年被3D Systems收購（技術名稱更改為ColorJet Printing）推出，是世界上最早的全彩色3D列印技術。國際上著名的3dp工藝公司還有ExOne、VoxelJet等。
從工作方式來看，三維印刷與傳統二維噴墨列印最接近。與SLS工藝一樣，3DP也是通過將粉末粘結成整體來製作零部件，不同之處在於，它 不是通過雷射熔融的方式粘結，而是通過噴頭噴出的粘結劑。
其詳細工作原理為：
1）3DP的供料方式與SLS一樣，供料時將粉末通過水平壓輥平輔於列印平臺之上；
2）將帶有顏色的膠水通過加壓的方式輸送到列印頭中存儲；
3）接下來列印的過程就很像2D的噴墨印表機了，首先系統會根據三維模型的顏色將彩色的膠 水進行混合併選擇性的噴在粉末平面上，粉末遇膠水後會粘結為實體；
4）一層粘結完成後，列印平臺下降，水平壓棍再次將粉末鋪平，然後再開始新一層的粘結， 如此的反覆層層列印，直至整個模型粘結完畢；
5）列印完成後，回收未粘結的粉末，吹淨模型表面的粉末，再次將模型用透明膠水浸泡，此時模型就具有了一定的強度。
理論上講，任何可以製作成粉末狀的材料都可以用3DP工藝成型，材料選擇範圍很廣。
1）成型速度快，價格相對低廉，粉末通過粘結劑結合，而不是其他工藝在保護氣氛下燒結。
2）可實現有漸變色的全彩色3D列印，可以完美體現設計師在色彩上的設計意圖。
3）列印過程無需支撐材料，不但免除去除支撐的過程，而且也降低了使用成本。
4）可實現大型件的列印（目前最大可列印4米）。
5）產品力學性能差，強度、韌性相對較低，通常只能做樣品展示，無法適用於功能性試驗。
6）採用3DP技術的3D印表機，多用於砂模鑄造、建築、工藝品、動漫、影視等方面，目前有些3D照相館也都是採用了3DP技術的3D印表機。
1995年，德國Fraunhofer雷射器研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology，ILT）最早提出了選擇性雷射熔融技術（Selective Laser Melting，SLM），用它能直接成型出接近完全緻密度的金屬零件。SLM技術克服了SLS技術製造金屬零件工藝過程複雜的困擾。
用SLS技術製造金屬零件的方法主要有：
1）熔模鑄造法：首先採用SLS技術成型高聚物（聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS等）原型零件，然後利用高聚物的熱降解性，採用鑄造技術成型金屬零件；
2）砂型鑄造法：首先利用覆膜砂成型零件型腔和砂芯（即直接製造砂型），然後澆鑄出金屬零件；
3）選擇性雷射間接燒結原型件法：高分子與金屬的混合粉末或高分子包覆金屬粉末經SLS成型，經脫脂、高溫燒結、浸漬等工藝成型金屬零件；
4）選擇性雷射直接燒結金屬原型件法：首先將低熔點金屬與高熔點金屬粉末混合，其中低熔點金屬粉末在成形過程中主要起粘結劑作用，然後利 用SLS技術成型金屬零件。最後對零件後處理，包括浸漬低熔點金屬、高溫燒結、熱等靜壓（Hotisostatic Pressing，HIP）。
SLM是利用金屬粉末在雷射束的熱作用下完全熔化、經冷卻凝固而成型的一種技術。SLM與SLS製件過程非常相似，這裡不再贅述。
但是，SLM工藝一般需要添加支撐結構，其主要作用體現在：
1）加工標準金屬的外觀、裝配、功能原型。
2）支撐零件，如夾具、固定裝置等。
3）小批量零件生產。
4）注射模具。
2014年，連續液面生長（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）工藝被申請專利。2015年3月20日，Carbon3D公司的CLIP技術登上了權威學術雜誌 Science 的封面。CLIP本質上是SLA（或DLP）的改進，其原理並不複雜，底部的紫外光投影讓光敏樹脂固化，而氧抑制固化，水槽底部的液態樹脂由於接觸氧氣而 保持穩定的液態區域，這樣就保證了固化的連續性。
CLIP工藝主要依賴於一種特殊的既透明又透氣的窗口，該窗口同時允許光線和氧氣通過。該機器能夠控制氧的確切量和氧氣被允許進入樹脂池的時間。
氧氣因此起到了抑制某些區域樹脂固化的作用，而與此同時光線會固化那些沒有暴露在氧氣裡的區域。也就是說，氧氣能夠在樹脂內營造一個光固化的「盲區」，這種「盲區」最小可達幾十微米厚（約為2-3個紅細胞的直徑）。
在這些區域裡的樹脂根本不能可能發生光聚合反應。然後該設備會使用UV光像放電影那 樣把3D模型的一系列橫截面投射到裡面。
這項技術最重要的兩個優勢，一個是列印速度快到了顛覆性程度，比傳統的3D印表機要快25-100倍，理論上有提高到1000倍的潛力。
另外一個是分層理論上可以無限細膩：傳統3D列印需要把3D模型切成很多層，類似於疊加幻燈片，這個原理就決定了粗糙無法消除，而連續液面生產模式在底部投影的光圖像可以做到連續變化，相當於從疊加幻燈片進化成了疊加視頻，雖然毫無疑問這個視頻幀數也不是無限大，但是對比幻燈片的進步是巨大的。
使用連續生長的加工方式大大改善了產品的力學性能。傳統的3D列印零件因為層狀結構，其力學特性在各個方向上不同，特別是在堆疊的方向上，抗剪切性能很差。而連續液面生產的零部件的力學特性在各個方向保持一致，在實際應用中少了很多顧慮。
電子束熔融成型法（Electron Beam Melting，EBM）由Arcam公司發明，是金屬增材製造的另一種方式。其工藝過程與SLM非常相似，最大的區別是能量源由雷射換成了電子束。
電子束熔融（EBM）技術經過密集的深度研發，現已廣泛應用於快速原型製作、快速製造、工裝和生物醫學工程等領域。EBM技術使用電子束，將金屬粉末一層一層的融化生成完全緻密的零件。
電子束由位於真空腔頂部的電子束槍生成。電子槍是固定的，而電子束則可以受控轉向，到達整個加工區域。電子從一個絲極發射出來，當該絲極加熱到一定溫度時，就會放射電子。
電子在一個電場中被加速到光速的一半。然後由兩個磁場對電子束進行控制。第一個磁場扮演電磁透鏡的角色，負責將電子束聚 焦到期望的直徑。然後，第二個磁場將已聚焦的電子束轉向到工作檯上所需的工作點。
因具有直接加工複雜幾何形狀的能力，EBM工藝非常適於小批量複雜零件的直接量產。該工藝使零件定製化成為可能，而且為CAD to Metal工藝優化的零件，可以獲得用其它製造技術無法形成的幾何形狀，因此，零件將因無與倫比的性能而對客戶體現其價值。
該工藝直接使用CAD數據，一步到位，所以速度很快。設計師從完成設計開始，在24小時內即可獲得全部功能細節。與砂模鑄造或熔模精密鑄造相比，使用該工藝，交貨期將被顯著縮短。
生產過程中，EBM和真空技術相結合，可獲得高功率和良好的環境，從而確保材料性能優異。
1）在窄光束上達到高功率的能力，能列印難熔金屬，並且可以將不同的金屬熔合。
2）真空環境排除了產生雜質的可能，譬如氧化物和氮化物，真空熔煉的質量可保證材料的高強度。
3）雷射束式不實施預熱，電子束式實施預熱。電子束式的溫差小，殘餘應力低，加工支撐所需較少。
4）EBM工藝加工過程中會預熱粉末，粉末會呈現假燒結狀態，不利於小孔、縫隙類特徵列印，如1mm的孔易被粉末堵死。
5）EBM設備需要真空系統，硬體資金投入更高，而且需要維護。電子束技術的操作過程會產生X射線（解決方案：真空腔的合理設計可以完美的屏蔽射線。）
眾所周知，MJF 3D列印工藝也是近年來剛興起的3D列印工藝之一，主要由惠普公司研發。被稱為是新興增材製造技術的一大「中堅力量」。
對於MJF技術我們已經知道的是，其機器主要依靠兩個不同的噴墨組件打造全彩的3D零部件，一個組件主要負責鋪設列印材料，形成對象實體，另一個噴墨組件則負責噴塗、上色和融合，使部件獲得所需要的強度和紋理。
該技術的工作方式簡單來說就是：先鋪一層粉末，然後噴射熔劑，與此同時還會噴射一種精細劑（detailing agent），以保證列印對象邊緣的精細度，然後再在上面施加一次熱源。
惠普公司表示，這將使其列印速度比選擇性雷射燒結（SLS）技術、熔融沉積成型（FDM）技術快10倍，而且不會犧牲部件的精細度。
該工藝能夠簡化工作流程並降低成本，實現快速成型;以突破性的經濟效益實現零部件製造;降低了使用門檻、並支持各行業新應用的開放式材料與軟體創新平臺。
惠普3D列印業務總裁Stephen Nigro稱，HP多噴嘴式熔融3D列印解決方案以業內的創新方式實現了高速度、高質量和低成本的有效結合。
這令企業和製造商可以重新思考為客戶設計和交付解決方案的方式。
來源：OF week 3D列印網
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智能製造體系構建和實施路徑
2016年（第二屆）「中國製造2025與工業4.0全球年會」
時間：2016年9月24日—25日
地點：北京·國家會議中心
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