3D打印是如何工作的？( 二 ) _3D打印

四、材料喷射型
Material jetting
2D喷墨打印机的三维进化版。材料喷射可分为连续材料喷射（Continuous material jetting, CMJ）、纳米颗粒喷射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其基本原理是使用带电偏转板和电磁场，将喷射出的材料精确地定位在打印平台上，并利用紫外光源进行固化成型。材料喷射与上文中的立体光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次喷射出数百个微小液滴，而SLA则是在整桶树脂中，通过激光选择性地逐点固化。喷射的光敏液滴材料则包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。

优点：可实现高度精准的全彩快速打印，增加原型和最终部件美学质量。
缺点：材料范围有限、价格昂贵、需要后处理以去除多余的材料。

五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
也称微喷射粘结成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP），是通过粘合剂喷射来实现粉末成型。主要过程是将陶瓷或聚合物等粉末状材料装入容器中，使用喷墨打印头将粘合剂喷射至粉末中，如同沙子与水混合会形成更坚固的结构，一层粉末会在选择区域内发生粘合，重复这个过程，下一层粉末会与上一层粉层通过粘合剂的渗透结合为一体，从而层层堆叠成型。当使用材料是金属和陶瓷材料时，需要通过高温烧结去除粘合剂并实现粉末颗粒间的冶金结合，使成品具有一定的强度与密度。

优点：成型效率高，可同批次打印不同颜色，无需支撑结构。
缺点：粗糙度大、成型件致密度较低，对于金属和陶瓷等需脱脂烧结等后处理工艺，对于聚合物可能需要添加蜡等以增加结构强度。

六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
这是另一种基于粉末床的方法，主要用于金属部件的打印制造。与前面所述的打印方法不同，粉末床熔融不涉及沉积粘合剂来实现打印，主要代表有选择性激光烧结（Selective laser sintering, SLS）、选择性激光熔化（Selective laser melting, SLM）和电子束选区熔化（Electron-beam selective melting, EBSM）等。粉末床熔融的过程大体为，使用铺粉辊将存放在料斗和贮料器内的粉末材料均匀地涂覆在打印平台表面上，在真空环境下，利用高功率激光或电子束等高能束来熔化和烧结粉末，使之结合在一起，随后再涂覆一层粉末进行下一层烧结，直至形成整个实体。其中，电子束选区熔化会对粉末床进行预热，整个腔室温度最高可达上千度，极大程度降低成形零件的残余应力；SLS需要添加额外的粘结剂，如低熔点金属或者树脂材料等。

优点：精度高，可打印金属（如钛、铝、铜、不锈钢和高温合金等）、陶瓷和尼龙等多种材料。
缺点：成本高，在打印大尺寸物体时容易发生翘曲，速度较慢。

七、片材层压型
Sheet lamination
将材料进行激光切割后以粘结剂或焊接的方式结合在一起形成实体。与上文列出的其他工艺方法均不同，片材层压打印技术可用材料除了金属板，甚至还有纸等几乎其他任何可以卷曲的材料。片材层压主要包含分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing, UAM）等。LOM是利用胶水将多层纸粘合并用锋利的刀切割，无需加热或熔化。每张纸的切割方式略有不同。UAM是使用超声波焊接机来粘合金属片或金属带，每个金属层都被轧制在生长的结构上，最大的技术优势是低温，适用于对温度敏感的低熔点材料。

优点：成型速度快，精度高，翘曲变形小。
缺点：层间粘接差，成型样件结构强度存在明显的各向异性，材料的利用率较低，只能制作简单结构部件。

应用实例
在科研及产业界大量研发投入的驱动下，3D打印对制造业的升级能力以创新为宗旨，从应用端的引入深度和广度切入，为各下游行业进行价值赋能和创造革命，覆盖领域包括航天军工、汽车船舶、能源动力、生命医疗、文化创意和建筑等。

文章插图
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空和能源领域，近期，美国Arris Composites与空中客车公司合作在3D打印碳纤维复合材料市场发力批量制造，打造轻量型客舱支架；索尔维与OEM 9T Labs合作将3D打印碳纤维增强塑料部件引入量产，用于生产航空、自动化和石油天然气等行业所需的中小尺寸零部件。