3D打印其實并不神秘，也不是一項嶄新的技術(shù)，其實3D打印早已在工業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域默默奉獻了近三十年。總的來說，物體成型的方式主要有以下四類：減材成型、受壓成型、增材成型、生長成型。
減材成型：主要是運用分離技術(shù)把多余部分的材料有序地從基體上剔除出去，如傳統(tǒng)的車、銑、磨、鉆、刨、電火花和激光切割都屬于減材成型。
受壓成型：主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，傳統(tǒng)的鍛壓、鑄造、粉末冶金等技術(shù)都屬于受壓成型。受壓成型多用于毛坯階段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密鑄造、精密鍛造等凈成型均屬于受壓成型。
增材成型：又稱堆積成型，主要利用機械、物理、化學(xué)等方法通過有序地添加材料而堆積成型的方法。
生長成型：指利用材料的活性進行成型的方法，自然界中的生物個體發(fā)育屬于生長成型。隨著活性材料、仿生學(xué)、生物化學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展，生長成型技術(shù)將得到長足的發(fā)展。
3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)，從成型工藝上看3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機數(shù)據(jù)模型結(jié)合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機械加工就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型，這使得產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周幾大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。
為了能讓大家對3D打印技術(shù)有一個更加深刻的理解，下面小編將會為大家介紹幾項主流的3D打印技術(shù)原理。
LOM：分層實體成型工藝
分層實體成型工藝（Laminated Object Manufacturing，LOM），這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)，也是最為成熟的3D打印技術(shù)之一。LOM技術(shù)自1991年問世以來得到迅速的發(fā)展。由于分層實體成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精度高，因此受到了較為廣泛的關(guān)注，在產(chǎn)品概念設(shè)計可視化、造型設(shè)計評估、裝配檢驗、熔模鑄造等方面應(yīng)用廣泛。下面我們一起了解一下LOM技術(shù)的原理，如圖所示為LOM技術(shù)的基本原理：
LOM分層實體成型工藝
分層實體成型系統(tǒng)主要包括計算機、數(shù)控系統(tǒng)、原材料存儲與運送部件、熱粘壓部件、激光切系統(tǒng)、可升降工作臺等部分組成。
其中計算機負責(zé)接收和存儲成型工件的三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是沿模型高度方向提取的一系列截面輪廓。原材料存儲與運送部件將把存儲在其中的原材料（底面涂有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作臺上方。
激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個材料厚度以便送進將要進行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起，就這樣重復(fù)上述的步驟直到工件完全成型。
LOM工藝采用的原料價格便宜，因此制作成本極為低廉，其適用于大尺寸工件的成型，成型過程無需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，多余的材料也容易剔除，精度也比較理想。盡管如此，由于LOM技術(shù)成型材料的利用率不高，材料浪費嚴重頗被詬病，又隨著新技術(shù)的發(fā)展LOM工藝將有可能被逐步淘汰（SD300桌面3D打印機揭秘！LOM“減材制造”也有春天？）。
SLA：立體光固化成型工藝
立體光固化成型工藝（Stereolithography Apparatus，SLA），又稱立體光刻成型。該工藝最早由Charles W.Hull于1984年提出并獲得美國國家專利，是最早發(fā)展起來的3D打印技術(shù)之一。Charles W.Hull在獲得該專利后兩年便成立了3D Systems公司并于1988年發(fā)布了世界上第一臺商用3D打印機SLA-250。SLA工藝也成為了目前世界上研究最為深入、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)。
SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在計算機的控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型。下面我們一起了解一下SLA技術(shù)的原理，如圖所示為SLA技術(shù)的基本原理：
SLA立體光固化成型工藝 （插圖由筑夢創(chuàng)造繪制）
液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。
當一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進行下一層的激光掃描固化。因為液態(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。
新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直至整個工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個完整的立體模型。
當工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的樹脂清理干凈，接著還需要把支撐結(jié)構(gòu)清除掉，最后還需要把工件放到紫外燈下進行二次固化。
SLA工藝成型效率高，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，成型工件表面光滑精度也有保證，適合制作結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型，能夠直接制作面向熔模精密鑄造的中間模。盡管SLA的成型精度高，但成型尺寸也有較大的限制而不適合制作體積龐大的工件，成型過程中伴隨的物理變化和化學(xué)變化可能會導(dǎo)致工件變形，因此成型工件需要有支撐結(jié)構(gòu)。
目前，SLA工藝所支持的材料還相當有限且價格昂貴，液態(tài)的光敏樹脂具有一定的毒性和氣味，材料需要避光保存以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)。SLA成型的成品硬度很低而相對脆弱，小編在一次3D打印體驗活動（iCader帶您走進中科院探秘3D打印”活動簡報：華南地區(qū)的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟呼之欲出）中看到了SLA成品觸地碎裂的情況。此外，使用SLA成型的模型還需要進行二次固化，后期處理相對復(fù)雜。
SLS：選擇性激光燒結(jié)工藝
選擇性激光燒結(jié)工藝（Selective Laser Sintering，SLS），該工藝最早是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其碩士論文中提出的，隨后C.R.Dechard創(chuàng)立了DTM公司并于1992年發(fā)布了基于SLS技術(shù)的工業(yè)級商用3D打印機Sinterstation。
二十年多年來奧斯汀分校和DTM公司在SLS工藝領(lǐng)域投入了大量的研究工作，在設(shè)備研制和工藝、材料開發(fā)上都取得了豐碩的成果。德國的EOS公司針對SLS工藝也進行了大量的研究工作并且已開發(fā)出一系列的工業(yè)級SLS快速成型設(shè)備，在2012年的歐洲模具展上EOS公司研發(fā)的3D打印設(shè)備大放異彩。
在國內(nèi)也有許多科研單位開展了對SLS工藝的研究，如南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢濱湖機電產(chǎn)業(yè)有限公司、北京隆源自動成型有限公司、湖南華曙高科等。
SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描照射而實現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實現(xiàn)成型，如圖所示為SLS的成型原理：
SLS選擇性激光燒結(jié)工藝
選擇性激光燒結(jié)加工的過程先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點，從而進行燒結(jié)并于下面已成型的部分實現(xiàn)粘合。
當一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個層厚，這時壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。
在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。
當工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。
SLS工藝支持多種材料，成型工件無需支撐結(jié)構(gòu)，而且材料利用率較高。盡管這樣SLS設(shè)備的價格和材料價格仍然十分昂貴，燒結(jié)前材料需要預(yù)熱，燒結(jié)過程中材料會揮發(fā)出異味，設(shè)備工作環(huán)境要求相對苛刻。
FDM：熔融沉積成型工藝
熔融沉積成型工藝（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來的一種3D打印技術(shù)。該技術(shù)由Scott Crump于1988年發(fā)明，隨后Scott Crump創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一臺基于FDM技術(shù)的3D打印機——“3D造型者（3D Modeler）”，這也標志著FDM技術(shù)步入商用階段。
國內(nèi)的清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京殷華公司、中科院廣州電子技術(shù)有限公司都是較早引進FDM技術(shù)并進行研究的科研單位。FDM工藝無需激光系統(tǒng)的支持，所用的成型材料也相對低廉，總體性價比高，這也是眾多開源桌面3D打印機主要采用的技術(shù)方案。
熔融沉積有時候又被稱為熔絲沉積，它將絲狀的熱熔性材料進行加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來。噴頭可以沿X軸的方向進行移動，工作臺則沿Y軸和Z軸方向移動（當然不同的設(shè)備其機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計也許不一樣），熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。下面我們一起來看看FDM的詳細技術(shù)原理：
FDM熔融沉積成型工藝
熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進電機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。
噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。
采用FDM工藝制作具有懸空結(jié)構(gòu)的工件原型時需要有支撐結(jié)構(gòu)的支持，為了節(jié)省材料成本和提高成型的效率，新型的FDM設(shè)備會采用了雙噴頭的設(shè)計，一個噴頭負責(zé)擠出成型材料，另外一個噴頭負責(zé)擠出支撐材料。
一般來說，用于成型的材料絲相對更精細一些，而且價格較高，沉積效率也較低。用于制作支撐材料的絲材會相對較粗一些，而且成本較低，但沉積效率會更高些。支撐材料一般會選用水溶性材料或比成型材料熔點低的材料，這樣在后期處理時通過物理或化學(xué)的方式就能很方便地把支撐結(jié)構(gòu)去除干凈。
3DP：三維印刷工藝
三維印刷工藝（Three-Dimension Printing，3DP），該技術(shù)由美國麻省理工大學(xué)的Emanual Sachs教授發(fā)明于1993年，3DP的工作原理類似于噴墨打印機，是形式上最為貼合“3D打印”概念的成型技術(shù)之一。3DP工藝與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的，如圖所示為3DP的技術(shù)原理：
3DP三維印刷工藝
首先設(shè)備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態(tài)粘合劑（如硅膠）噴射在預(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復(fù)上述步驟直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。
PolyJet：聚合物噴射技術(shù)
PolyJet聚合物噴射技術(shù)是以色列Objet公司于2000年初推出的專利技術(shù)，PolyJet技術(shù)也是當前最為先進的3D打印技術(shù)之一，它的成型原理與3DP有點類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：
PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運動，工作原理與噴墨打印機十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進行固化。
完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個工件打印制作完成。
工件成型的過程中將使用兩種不同類型的光敏樹脂材料，一種是用來生成實際的模型的材料，另一種是類似膠狀的用來作為支撐的樹脂材料。
這種支撐材料由過程控制被精確的添加到復(fù)雜成型結(jié)構(gòu)模型的所需位置，例如是一些懸空、凹槽、復(fù)雜細節(jié)和薄壁等等的結(jié)構(gòu)。當完成整個打印成型過程后，只需要使用Water Jet水槍就可以十分容易地把這些支撐材料去除，而最后留下的是擁有整潔光滑表面的成型工件。
使用PolyJet聚合物噴射技術(shù)成型的工件精度非常高，最薄層厚能達到16微米。設(shè)備提供封閉的成型工作環(huán)境，適合于普通的辦公室環(huán)境。此外，PolyJet技術(shù)還支持多種不同性質(zhì)的材料同時成型，能夠制作非常復(fù)雜的模型。
