三维打印类型

三维打印又称快速成型制造，可以根据数字三维模型逐层沉积材料，从而制造出实物。根据应用要求，有许多不同的 3D 打印技术和材料可供选择。本综合指南介绍了最常见的 三维打印 类型、主要特点、适合的应用以及利弊，以帮助选择合适的 3D 打印方法。

主要 3D 打印方法概述

以下是目前最流行的 3D 打印技术和材料的比较：

本表总结了主要的 3D 打印技术、所用材料、其特点和典型应用。请继续阅读，详细了解每种三维打印技术。

熔融沉积建模（FDM）

熔融沉积建模（FDM）是业余爱好者和专业人士最常用、最经济实惠的 3D 打印技术。

FDM 三维打印的工作原理

FDM 打印的工作原理是将热塑性长丝加热到半液态，然后在打印床上逐层沉积。随着层层沉积，它们融合在一起并凝固，最终形成三维物体。

FDM 3D 打印机的关键部件：

• 打印头 - 挤出融化的塑料
• 打印床 - 为打印对象提供一个静态底座
• 长丝--原材料，以塑料线轴的形式供应
• 控制系统 - 引导打印头精确沉积塑料

最常用的长丝材料有

• PLA（聚乳酸）--易于打印，FDM 的最强材料
• ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）--略有弹性、耐用的塑料
• PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯）--兼具 ABS 的强度和 PLA 的透明度

FDM 印刷的优势

低成本： 与其他 3D 打印技术相比，打印机和材料都非常实惠。业余爱好者的打印机起价仅为几百美元。

操作简单： FDM 打印机易于设置和使用。打印成品无需复杂的后处理。

材料的选择： 有多种类型的长丝可供选择：塑料、复合材料、柔性材料，甚至是可溶解的支撑物。

FDM 印刷的局限性

分辨率较低： 层高约为 0.1 - 0.3 毫米，因此在斜坡和曲线上会产生阶梯效果。

弱层间结合 由于层与层之间没有化学熔合，因此在应力作用下，层之间可能会分层。

有限几何形状： 由于需要支撑材料，FDM 无法制作封闭的空隙或凹槽。

翘曲： 聚乳酸和 ABS 等热塑性塑料在冷却时会收缩，导致边角变形。

FDM 打印机制造商

一些领先的 FDM 3D 打印机制造商包括

• MakerBot
• Ultimaker
• 普鲁萨研究
• FlashForge
• Raise3D
• 工艺机器人

此外，还有许多业余爱好者使用的 3D 打印机套件，如 Creality 和 Artillery，它们都非常超值。

FDM 印刷应用

原型设计 - 非常适合快速迭代设计原型和概念验证。

教育 - FDM 3D 打印机在中小学和大学教育中很受欢迎。

工具 - 可用于打印夹具、固定装置、导轨和其他制造工具。

业余印刷爱好者 - 爱好者们使用 FDM 制作模型、Cosplay 道具、微型模型、小玩意等。

最终用途部件 - 可用于生产最终零件，最适合精度或表面光洁度要求不高的部件。

立体光刻 (SLA) 印刷

立体光刻（SLA）是一种三维打印技术，它使用的光聚合物在紫外线照射下会凝固。SLA 可以打印出高度精确和光滑的零件，是制作精细模型、珠宝、牙科矫正器和医疗设备的理想选择。

SLA 印刷的工作原理

SLA 印刷从一桶液态光聚合物树脂开始。激光束在树脂表面描绘出每层图案，使暴露区域固化。构建平台升起，将打印层从大桶中分离出来，让新鲜的树脂流入下一层。

SLA 打印机的关键组件：

• 紫外线激光 - 逐层选择性固化树脂
• 树脂桶 - 装有液态聚合物树脂
• 构建平台 - 每层打印完成后上升
• 树脂罐 - 储存和供应树脂

常用的 SLA 树脂包括

• 标准感光聚合物 - 精确、强度适中的部件
• 耐用且柔韧的树脂 - 用于制造更坚固的部件
• 可浇铸树脂--烧除干净，用于金属铸造

SLA 三维打印的优势

出色的准确性 - 可生产高度精细、表面光滑的零件，层分辨率可达 ~0.025 毫米。

良好的机械性能 - 打印出来的物体具有各向同性，其强度可与注塑成型部件媲美。

各种树脂 - 可选择从刚性到柔性甚至生物相容性的树脂特性。

无需支持 - 树脂槽可在印刷过程中提供持续的支撑，从而实现复杂的几何形状。

SLA 印刷的局限性

较小的建造量 - SLA 打印机的最大打印尺寸通常较小（< 1 立方英尺）。

需要后期处理 - 印刷部件必须在紫外线下清洁和固化。

树脂毒性 - 某些感光聚合物含有有害成分和刺激性物质。

树脂成本 - 材料比 FDM 长丝贵得多。

受欢迎的 SLA 打印机品牌

领先的 SLA 3D 打印机制造商包括

• Formlabs
• 皮奥波利
• 任意立方体
• 冰冻
• Creality
• Elegoo

许多公司都提供业余和专业 SLA 3D 打印机。

SLA 印刷的应用

珠宝 - 非常适合制作高精细的珠宝作品和母版图案。

牙科 - 用于制造手术导板、正畸模型和矫正器。

模型制作 - 高精度建筑模型、微缩模型和动作模型。

医疗设备 - 适用于为外科医生定制假肢、植入物和栩栩如生的解剖模型。

铸造模式 - 熔模铸造可以根据 SLA 树脂模型生产金属终端零件。

选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（SLS）使用激光熔化粉末材料并生成三维物体。SLS 打印机可使用多种塑料、金属、陶瓷和复合材料粉末，制作功能原型和最终使用部件。

SLS 3D 打印的工作原理

SLS 打印是在一个充满粉末材料的腔室中进行的。激光根据 3D 模型的要求，有选择性地熔化粉末颗粒并将其融合在一起。然后，打印平台下降，在上面滚上一层新的粉末。如此循环往复，直到整个物体在粉末床中成型。

SLS 印刷机的关键部件：

• CO2 激光器 - 选择性熔化粉末材料
• 粉末床 - 储存和供应原料粉末
• 滚筒 - 为每层铺上新粉
• 加热灯 - 将粉末预热到熔点以下

常见的 SLS 材料包括

• 尼龙（PA 12）- 用于制造坚固耐用部件的最常用塑料
• Alumide - 仿金属的尼龙-铝复合丝
• 热塑性聚氨酯（TPU）、PEBA - 橡胶类部件的柔性材料
• PEEK, PEKK - 高性能热塑性塑料，耐热/耐化学腐蚀
• 不锈钢 - 用于高强度最终用途金属部件

SLS 印刷的优势

功能性力量部件 - 接近各向同性的特性使其可以制作功能性原型和最终使用部件。

复杂几何图形 - 通过在粉末床中打印，可实现自支撑形状和晶格结构。

材料的选择 - SLS 可以加工各种金属、塑料、聚合物、复合材料和陶瓷。

无需支持 - 周围的粉末本身在印刷过程中起到支撑作用。

SLS 印刷的缺点

粗糙表面 - 粉末印刷会产生颗粒状表面，需要进行二次加工。

大型设备 - 与其他技术相比，SLS 打印机体积更大、重量更重。

材料成本 - 与长丝相比，粉末材料更为昂贵。

后期处理 - 使用前必须将印刷部件上未熔化的粉末清理干净。

SLS 打印机制造商

著名的 SLS 3D 打印机公司包括

• 3D 系统
• EOS
• Farsoon
• Prodways
• 理光
• 共享机器人
• Sintratec

工业级和桌面级 SLS 打印机现已上市。

SLS 印刷的应用

功能原型 - 用于创建工作模型，以便进行装配、组装和性能测试。

制造工具 - 打印生产线夹具、固定装置、检验量具等。

最终用途部件 - 航空航天和汽车行业使用 SLS 制造成品部件。

生物医学 - SLS 可以制造定制的植入物、支架和医疗工具。

建筑学 - 通过 SLS 打印技术制作的建筑物、地形和地貌的详细比例模型。

多重射流聚变（MJF）技术

多重喷射熔融（MJF）是惠普公司开发的一种粉末床三维打印工艺。它使用喷墨打印头阵列选择性地在粉末层上沉积熔融剂和细化剂。MJF 可实现高产、可扩展的制造应用，并具有出色的零件质量。

MJF 3D 打印如何工作

MJF 打印过程在粉末床腔内进行，与 SLS 非常相似。喷墨打印头选择性地将熔融剂沉积在零件应该凝固的位置。紧接着涂上细化剂，以提高边缘清晰度和表面光滑度。然后重新涂上粉末，循环往复，直到打印出完整的物体。

MJF 打印机的主要组件：

• 惠普热敏喷墨打印头阵列
• 装有尼龙塑料粉末的粉末床
• 预热粉床的红外灯
• 用滚筒铺设新粉层

MJF 印刷机专门使用 PA12 尼龙粉末材料，该材料有不同等级，具有增强的弹性和强度重量比等特性。

MJF 3D 打印的优势

高生产率 - 极快的打印速度可实现最终使用部件的批量生产。

卓越的机械性能 - 部件等同或超过具有各向同性的注塑尼龙。

高细节 - 打印出来的照片具有良好的特征清晰度和表面光洁度。

规模经济 - MJF 的生产成本随着产量的增加而大幅降低。

MJF 技术的局限性

单一材料 - 目前仅限于尼龙塑料，但正在开发复合材料。

大型设备 - MJF 打印机占地面积大，而且很重。

后期处理 - 使用前必须将印刷部件上未熔化的粉末清理干净。

初始成本高 - 工业级 MJF 3D 打印机的成本相当高。

MJF 打印机型号

惠普目前有三种 MJF 打印机型号：

• HP Jet Fusion 3200/4200 - 用于原型设计和短期制造
• HP Jet Fusion 5200 系列 - 针对大规模制造进行了优化
• HP Metal Jet S100 - 用于批量生产金属零件

MJF 三维打印的应用

大规模定制 - 是高效批量生产 10 到 1000 个相同零件的理想选择。

汽车 - 用于制造夹具、固定装置、流体系统组件、车头灯等。

消费品 - 批量生产用于电子产品、鞋类、家居用品、体育用品等的终端零件。

工业制造 - 印刷生产线工具，如传送带防护装置、装配夹具、夹具和工厂车间设备。

粘结剂喷射技术

粘合剂喷射三维打印使用选择性沉积的液体粘合剂来连接粉末颗粒。它可以快速、经济地打印出工业用的大型金属或砂模部件。

活页夹喷墨印刷的工作原理

粘合剂喷射工艺在构建平台上铺设一层薄薄的粉末。喷墨打印头在需要凝固的区域喷射粘合剂液滴。粘合剂将粉末颗粒粘合在一起，逐层形成固态物体。

活页喷码机的关键部件：

• 打印头 - 沉积装订液
• 粉末床 - 盛放原料粉末
• 滚筒 - 为每层铺上新粉
• 固化炉 - 印刷后固化绿色部件

粘合剂喷射可使用任何粉末材料，包括

• 不锈钢粉末 - 最常用于最终金属部件
• 砂 - 用于印模和印芯
• 陶瓷 - 制作艺术雕塑和装饰品
• 石膏 - 用于建筑装饰

活页喷印的优势

高速 - 打印时间极短，不受部件复杂程度或数量的影响。

低废弃物 - 未粘结的粉末可重复使用，从而节省材料。

大型部件 - 最大打印体积可达 1 立方米。

材料灵活性 - 可印刷多种金属、砂、陶瓷和复合材料。

粘结剂喷射的局限性

低分辨率 - 由于液体饱和度的限制，印刷品表面有颗粒感。

后期处理 - 需要进行烧结，以达到金属零件的全部密度和性能。

各向异性 - 机械性能因构建方向不同而异。

尺寸精度 - 印刷部件在烧结过程中的收缩会影响精度。

主要胶订机制造商

生产粘合剂喷射三维打印系统的公司包括

• ExOne
• 数字金属
• DESCAM
• Voxeljet
• 桌面金属
• 通用电气添加剂

可提供工业用和办公用活页夹喷墨打印机。

粘合剂喷射三维打印的用途

金属铸造 - 为复杂金属物体的熔模铸造印制砂模和型芯。

工具 - 用于注塑成型的轻质、低成本粘合剂喷射工具。

系列制作 - 用于小批量生产的不锈钢粘结剂喷射。

建筑学 - 艺术家们用它来制作复杂的装饰石制品、装饰品和雕像。

教育 - 为学校引入金属 3D 打印技术提供了经济实惠的途径。

材料喷射技术

材料喷射是一种三维打印方法，通过沉积微小的光聚合物材料液滴来逐层构建物体。该技术可实现多种材料打印和其他技术无法比拟的复杂几何形状。

材料喷射如何工作

材料喷射打印头以小至一皮升的液滴选择性地沉积光聚合物材料。每打印一层，紫外线灯立即固化一层。构建平台降低，以便打印下一层。还可使用可移动凝胶打印支撑结构。

喷射材料打印机的关键部件：

• 打印头 - 用于喷射材料液滴的压电喷射器
• 紫外线灯 - 瞬间固化沉积材料
• 材料托盘 - 盛放液体感光聚合物
• 软件 - 控制材料混合

常见的喷射材料包括

• 硬质塑料树脂 - 用于制作耐用、细致的模型
• 类橡胶树脂 - 具有弹性性能的柔性部件
• 透明材料 - 透明模型和光学元件
• 蜡、凝胶支撑 - 印刷后溶解

材料喷射的优点

多种材料 - 能够在一个部件中打印不同的树脂和渐变色。

高细节 - 16-30 微米薄层的表面处理极为光滑。

多样化的材料特性 - 从硬质塑料到仿真聚丙烯。

复杂形状 - 通过印制支撑凝胶，可制作封闭的空隙和凹槽。

材料喷射的缺点

建筑尺寸小 - 仅限于较小的模型和部件，通常在 1 英尺以下。

材料成本 - 与其他 3D 打印工艺相比，打印材料非常昂贵。

湿度敏感性 - 印刷部件暴露在潮湿环境中会降解或变形。

后期处理 - 必须去除支撑凝胶，部件需要紫外线固化。

领先的材料喷射系统制造商

开发材料喷射三维打印机的著名公司包括

• Stratasys
• 3D 系统
• 赛尔
• voxeljet
• EnvisionTEC
• 道杜邦

这些打印机专为商业和工业用途而设计。

材料喷射的应用

原型设计 - 非常适合需要多种材料属性和精细细节的概念模型。

制造业 - 用于生产小批量的终端零件，适合小批量的复杂几何形状。

医疗 - 打印手术指南和具有逼真纹理的解剖模型。

牙科 - 多种材料喷射可制作出逼真的修复体和牙齿矫正器。

消费者 - 个性化时尚配饰、手机壳、鞋类都是 3D 打印出来的。

汽车 - 制作精细的小型塑料和橡胶部件，如垫圈。

航空航天 - 打印出具有复杂几何形状的轻质非结构部件。

如何选择正确的 3D 打印技术

面对如此多的 3D 打印类型，要确定一种应用的最佳方法可能会令人困惑。以下是指导选择过程的一些关键标准：

印刷目标 - 原型、视觉概念模型、功能测试部件、最终产品？不同的技术适合不同的目标。

部件尺寸 - 桌面打印机的构建量较小。对于较大的部件，可考虑使用工业系统。

部件几何形状 - 评估对封闭空隙、凹槽、表面光洁度和尺寸精度的要求。

物资需求 - 使材料的强度、耐热性、柔韧性等性能与应用相匹配。

预算 - 工业 3D 打印机的设备成本较高。还要考虑材料费等运营成本。

速度和吞吐量 - 一些技术（如 MJF 和粘结剂喷射）比其他技术快得多。

后期处理 - 比较辅助人工和成本，如支架拆除、表面处理、粉末回收。

技术专长 - 与 SLS 或材料喷射相比，FDM 等简单方法需要的培训更少。

通过评估特定应用的上述标准，可以大大缩小适合的 3D 打印技术清单，从而选择最佳方法。原型制作和批量生产需要截然不同的打印机。寻求专家指导可进一步帮助做出正确的三维打印技术选择。

3D 打印方法比较

以下是流行的 3D 打印技术之间的主要区别：

本对比图总结了与最常见的 3D 打印技术相关的典型特性、功能和成本。它为不同方法之间的权衡提供了快速指南，可为特定应用的选择过程提供参考。

主要 3D 打印方法的优缺点

了解每种三维打印工艺的固有优势和局限性，就能根据应用要求选择最佳技术。必须根据零件特性、精度、成本和速度等关键标准仔细权衡利弊。

3D 打印材料选项

三维打印机采用了从塑料、金属到定制光聚合物等一系列材料。以下是不同三维打印工艺中最常用的几种材料：

塑料

• ABS - 结实耐用，略有弹性
• 聚乳酸（PLA）--坚韧、低翘曲、生物衍生聚合物
• 尼龙 - 强度高、用途广、成本低
• PETG - 透明、低气味，比 ABS 更容易印刷
• TPU - 用于制造橡胶类零件的柔性长丝

光聚合物

• 标准树脂 - 精确，具有良好的机械性能
• 可浇铸树脂--烧除干净，用于金属铸造
• 耐用树脂 - 耐高温、韧性强
• 牙科 SG 树脂 - 生物相容性 1 级材料
• 柔性树脂 - 弹性与聚丙烯相似

金属

• 不锈钢 - 高强度应用中最常见的金属粉末
• 铝 - 重量轻但强度高的部件
• 钛 - 生物相容性好，耐腐蚀性强
• 镍合金 - 模具的硬度和耐热性
• 贵金属 - 银、金，适用于珠宝首饰

陶瓷

• 氧化铝 - 高硬度、耐热性和耐腐蚀性
• 氧化锆 - 非常高的强度和断裂韧性
• 羟基磷灰石 - 用于骨植入的生物陶瓷
• 瓷器 - 用于制作极具艺术性的雕塑和装饰品

复合材料

• 碳纤维 - 采用碳纤维增强，强度极高
• 在黑暗中发光 - 含有磷光添加剂的聚乳酸
• 木材和金属填充物 - 混合材料，如青铜填充物、铜填充物等。
• 磁性 - 用于磁性元件的铁粉注入长丝

不同的三维打印技术可使用不同的材料，因此可根据应用的机械、热、电和美学要求进行精确匹配。

三维打印表面处理

3D 打印部件的表面光洁度、纹理和精度取决于多个因素：

• 3D 打印工艺 - FDM、SLA、SLS 等具有不同的分辨率
• 层高--层数越薄，表面越光滑
• 方向 - 零件可以垂直或对角打印
• 栅格角度 - 在图层之间交替调整栅格方向可减少可见步进
• 后处理 - 通过打磨、磨削、涂层等方法提高表面质量

以下是采用不同 3D 打印技术实现的表面光洁度对比：

SLA 和材料喷射可获得最光滑的表面。FDM 打印需要优化层高、光栅角度和表面处理，以提高表面质量。

3D 打印设计指南

在为 3D 打印零件建模时，请考虑这些设计原则：

• 优化壁厚至 1.2-2 毫米，以获得足够的强度
• 包括圆角和圆边，以缓解应力集中
• 设计具有最佳间隙的卡扣、活铰链和柔性组件
• 尽可能减少需要支撑材料的悬垂部分
• 在构建平台上调整零件的最佳方向，以减少支撑
• 为后处理步骤预留移动组件的间隙
• 根据打印机和材料能力设计公差
• 确保封闭的空隙有逃生孔，以便在某些工艺中清除粉末
• 考虑层方向和构建方向导致的属性变化

按照 DfAM（增材制造设计）原则，可以根据所选技术和材料的能力创建可打印的 3D 模型。

三维打印设备供应商

提供专业 3D 打印设备的供应商数量众多，其中包括

桌面 3D 打印机

• MakerBot、Ultimaker、Prusa Research、FlashForge、LulzBot、Formlabs

工业塑料印刷机

• Stratasys、3D Systems、EOS、EnvisionTEC、Carbon

金属三维打印机

• EOS、雷尼绍、桌面金属、Markforged、Xact Metal

批量生产系统

• HP、碳、桌面金属、绑定金属

专业打印机

• Organovo（生物打印）、Nanoscribe（微尺度）、wholmen（大规模）

打印机套件

• Creality、Artillery、Tronxy、Anycubic

印刷服务

• Materialise、Sculpteo、Protolabs、Shapeways

在寻找合适的 3D 打印机时，应考虑打印机技术、构建量、材料、精度、软件功能、制造商信誉、服务计划和运营成本。

3D 打印的成本考虑因素

开始使用 3D 打印的成本取决于许多因素：

打印机成本

• 台式 FDM 机器起步价低于 $300
• 专业工业打印机的价格从 $5,000 到超过 $1,000,000 不等

材料

• 1 公斤 PLA 长丝$20-50
• 用于 SLA 的 1 升树脂： $50-200
• 金属粉末：每公斤 $100-500

软件

• 免费 3D 建模工具，如 Tinkercad 或 Fusion360
• 特许 CAD 软件费用 $1000 - $7000

后处理设备

• 长丝、树脂、喷嘴等打印机耗材
• 用于平滑、喷漆和涂层的精加工工具
• 金属粉末工业烧结炉

技术专长

• 操作员培训和学习曲线
• 专业工程支持

在生产应用中采用三维打印技术时，要充分考虑初始设备成本和持续运营费用。利用 3D 打印服务机构，避免资本支出。

选择 3D 打印服务局

以下是一些选择 3D 打印服务提供商的提示：

• 审查与应用需求相匹配的印刷技术支持范围
• 寻找与项目相关的材料专业知识
• 评估建造容量和生产可扩展性
• 评估劳动力技能和提供的工程支持
• 考虑速度、交付时间和地点
• 审查质量认证和样品部件的表面光洁度
• 比较定价模式：按部件、批量折扣、订购
• 在线查看客户评论和推荐
• 评估后处理、精加工和涂层能力
• 讨论所有权、数据保护和保密问题
• 了解订单流程、上传选项和交付周期
• 考虑提供高接触服务，如 AM 设计、工程专业技术

与合适的服务局合作，可以获得各种三维打印功能，而无需大量资本投资。

3D 打印技术的未来展望

预计 3D 打印技术将继续快速发展：

• 工业级 3D 打印机成本下降，价格更加亲民
• 新材料开发拓宽了应用领域--复合材料、生物材料
• 改进的表面光洁度可与传统制造工艺相媲美
• 将 3D 打印技术与机械加工和其他工艺相结合的混合制造技术
• 自动化后处理和精加工解决方案
• 用于设计、工艺模拟和优化的软件增强功能
• 利用金属粘合剂喷射和多激光金属 PBF 实现批量生产
• 提高最终用途制造的零件质量、精度和可重复性
• 简化工作流程和数字化库存，按需生产零件
• 医疗、航空航天和国防领域高价值特殊应用的增长

这些创新将扩大 3D 打印的能力，使其超越快速原型制作的范畴，在各工业领域实现数字化制造。

结论

三维打印技术已发展成为一种颠覆性技术，从原型设计到生产都有着深远的应用。了解不同 3D 打印工艺的工作原理、能力、用例和经济性对于有效采用至关重要。随着各种技术和材料的出现以及成本的下降，未来十年，3D 打印技术将在各行各业加速应用。企业必须积极评估三维打印如何改善其产品开发周期、供应链和生产运营，以保持竞争力。随着3D打印在速度、精度、可重复性和零件性能方面的进步，它有望成为未来数字化制造领域的战略组成部分。

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