熔融沉積快速成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）
熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。大致結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1 FDM結(jié)構(gòu)示意圖
在3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM的機械結(jié)構(gòu)最簡單，設(shè)計也最容易，制造成本、維護成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級3D打印機中使用得最多的技術(shù)，而工業(yè)級FDM機器，主要以Stratasys公司產(chǎn)品為代表。
圖2 Stratasys工業(yè)級3D打印機
FDM技術(shù)的桌面級3D打印機主要以ABS和PLA為材料，ABS強度較高，但是有毒性，制作時臭味嚴重，必須擁有良好通風環(huán)境，此外熱收縮性較大，影響成品精度；PLA是一種生物可分解塑料，無毒性，環(huán)保，制作時幾乎無味，成品形變也較小，所以目前國外主流桌面級3D打印機均以轉(zhuǎn)為使用PLA作為材料。
FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于制造簡單，成本低廉，但是桌面級的FDM打印機，由于出料結(jié)構(gòu)簡單，難以精確控制出料形態(tài)與成型效果，同時溫度對于FDM成型效果影響非常大，而桌面級FDM 3D打印機通常都缺乏恒溫設(shè)備，因此基于FDM的桌面級3D打印機的成品精度通常為0.3mm-0.2mm，少數(shù)高端機型能夠支持0.1mm層厚，但是受溫度影響非常大，成品效果依然不夠穩(wěn)定。此外，大部分FDM機型制作的產(chǎn)品邊緣都有分層沉積產(chǎn)生的“臺階效應”，較難達到所見即所得的3D打印效果，所以在對精度要求較高的快速成型領(lǐng)域較少采用FDM。
光固化成型（Stereolithigraphy Apparatus，SLA）
光固化技術(shù)是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)，也是目前研究最深入、技術(shù)最成熟、應用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光固化技術(shù)，主要使用光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。大致結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖3 光固化原理圖
光固化技術(shù)優(yōu)勢在于成型速度快、原型精度高，非常適合制作精度要求高，結(jié)構(gòu)復雜的原型。使用光固化技術(shù)的工業(yè)級3D打印機，最著名的是objet，該制造商的3D打印機提供超過123種感光材料，是目前支持材料最多的3D打印設(shè)備。
圖4 Objet材料分類
光固化快速成型應該是目前3D打印技術(shù)中精度最高，表面也最光滑的，objet系列最低材料層厚可以達到16微米（0.016毫米）。但是光固化快速成型技術(shù)也有兩個不足，首先光敏樹脂原料有一定毒性，操作人員使用時需要注意防護，其次光固化成型的原型在外觀方面非常好，但是強度方面尚不能與真正的制成品相比，一般主要用于原型設(shè)計驗證方面，然后通過一系列后續(xù)處理工序?qū)⒖焖僭娃D(zhuǎn)化為工業(yè)級產(chǎn)品。此外，SLA技術(shù)的設(shè)備成本、維護成本和材料成本都遠遠高于FDM，因此，目前基于光固化技術(shù)的3D打印機主要應用在專業(yè)領(lǐng)域，桌面領(lǐng)域目前已有兩個桌面級別SLA技術(shù)3D打印機項目啟動，一個是Form1，一個是B9，相信不久的將來會有更多低成本的SLA桌面3D打印機面世。
三維粉末粘接（Three Dimensional Printing and Gluing，3DP）
3DP技術(shù)由美國麻省理工大學開發(fā)成功，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等，3DP技術(shù)工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。大致結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖5 3DP(三維打印)工藝原理
3DP技術(shù)的優(yōu)勢在于成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，這是目前其他技術(shù)都比較難以實現(xiàn)的。3DP技術(shù)的典型設(shè)備，是3DS旗下zcorp的zprinter系列，也是3D照相館使用的設(shè)備，zprinter的z650打印出來的產(chǎn)品最大可以輸出39萬色，色彩方面非常豐富，也是在色彩外觀方面，打印產(chǎn)品最接近于成品的3D打印技術(shù)。
圖6 3DP技術(shù)打印的成品
但是3DP技術(shù)也有不足，首先粉末粘接的直接成品強度并不高，只能作為測試原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA光潔，精細度也有劣勢，所以一般為了產(chǎn)生擁有足夠強度的產(chǎn)品，還需要一系列的后續(xù)處理工序。此外，由于制造相關(guān)材料粉末的技術(shù)比較復雜，成本較高，所以目前3DP技術(shù)主要應用在專業(yè)領(lǐng)域，桌面級別目前僅有一個PWDR項目在啟動，但仍然處于0.1狀態(tài)，尚需觀察后續(xù)進展。
選擇性激光燒結(jié)（Selecting Laser Sintering，SLS）
該工藝由美國德克薩斯大學提出，于1992年開發(fā)了商業(yè)成型機。SLS利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計算機控制層層堆結(jié)成型。SLS技術(shù)同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預熱到接近熔化點，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點，然后燒結(jié)形成粘接，接著不斷重復鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。大致結(jié)構(gòu)如下：
圖7 SLS工藝原理圖
激光燒結(jié)技術(shù)可以使用非常多的粉末材料，并制成相應材質(zhì)的成品，激光燒結(jié)的成品精度好、強度高，但是最主要的優(yōu)勢還是在于金屬成品的制作。激光燒結(jié)可以直接燒結(jié)金屬零件，也可以間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強度遠遠優(yōu)于其他3D打印技術(shù)。SLS家族最知名的是德國EOS的M系列，成品效果圖：
圖8 SLS成品效果圖
激光燒結(jié)技術(shù)雖然優(yōu)勢非常明顯，但是也同樣存在缺陷，首先粉末燒結(jié)的表面粗糙，需要后期處理，其次使用大功率激光器，除了本身的設(shè)備成本，還需要很多輔助保護工藝，整體技術(shù)難度較大，制造和維護成本非常高，普通用戶無法承受，所以目前應用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域，而目前尚未有桌面級SLS 3D打印機開發(fā)的消息，要進入普通民用領(lǐng)域，可能還需要一段時間。
結(jié)語
3D打印領(lǐng)域發(fā)展迅猛，從巨型的房屋打印機到微型的納米級細胞打印機，各種新技術(shù)層出不窮，但是目前主要還是集中在專業(yè)領(lǐng)域，民用市場還是以簡單架構(gòu)的FDM為主，無論效果還是精度都差強人意，我們期待著隨著技術(shù)發(fā)展和成本降低，桌面級3D打印機也能夠真正實現(xiàn)所見即所得的打印效果，那時候3D打印改變世界將不再是一個夢想。
