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Polyjet打印机的主要缺点在于其所使用的打印材料的固有局限性,它使用的是一种被称作“光敏聚合物”的塑料。光敏聚合物是一种能对UV光产生反应的、高度专业化的昂贵塑料。塑料是最耐用的制造材料之一,但大部分光敏聚合物仍十分脆弱易碎,这限制了其应用范围。
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激光工程化净成形
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选择性沉积打印机家族的另一成员是LENS(激光工程化净成形),将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边,遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此,当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓,打印头吹出更多的粉末时,部件就会一层一层地逐渐增长。
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这种工艺的优点在于它可以用硬质材料(例如钛和不锈钢)制造物体。这种金属“打印”发明之前,由于3D打印只能使用塑料(聚合物)材料,因此大型产业并不是很重视3D打印。像LENS这样的金属打印工艺出现后,航空航天、汽车等大型产业开始对3D打印产生兴趣。现在,通过LENS技术,人们可以使用硬金属材料制造复杂的物体,例如具有内部冷却通道的钛涡轮叶片。
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图5–4 金属粉末吹入激光束,遇到焦点的粉末融化并逐渐形成金属部件
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图片来源:Richard Grglls, Optomec, Inc.
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由于多个打印头可同时向激光束吹粉末,可以同时使用多种基础金属按不同的比率“打印”合金(混合金属),该比率甚至可以根据打印头的位置调节,生成各种级别的合金。
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分层实体制造
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最后介绍的一种选择性沉积打印机是LOM(分层实体制造)打印机。LOM打印机不使用打印头生成层,而是像它名字所描述的,将材料薄片层压成一个单独的三维实体。
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LOM工艺由设计文件开始,进行打印工作的不是打印头而是刀具或激光束。在设计文件的指引下,刀具将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出。想象将一个咖啡杯放在一张纸片上,沿着杯底的形状切出轮廓。
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切完一张薄片后,LOM打印机将切出的部分放至一边,铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起,当制作对象的所有横截面都切好后,将这些切片层按压融合为一个三维实体。LOM打印机制造的一些铝箔模型是利用强大的超声波振动使片材之间产生摩擦力,从而整合为密实的整体。
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融合、凝固、黏合式打印机
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3D打印机的第二个主要家族是由使用选择性黏合工艺的打印机构成的,这种工艺将原材料融化或凝固为层,许多早期的商业打印机使用的就是这种方法。需要指出,该方法的两种变体得到了广泛应用:SL(立体光刻)和LS(激光烧结)。
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立体光刻
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SL(立体光刻)是最早商用的3D打印方法之一。想象一下,一个装有液体聚合物的小桶放置于公寓冰箱大小的打印机内部,打印机在一种特殊塑料的表面扫出一束激光。这种塑料是光敏聚合物,当其暴露于UV光下会硬化。每次激光扫描循着所打印形状的轮廓和横截面逐层进行。
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每次激光扫描后,可移动的台面会将已打印的部分下沉1毫米。打印的部分下沉到液体中,新的光敏聚合物覆盖其顶部。有些SL打印机以相反的方式工作,激光向上瞄准聚合物,然后抬起(而不是下沉)打印的物体使其底部(而不是顶部)被新鲜液体浸没。
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物体通过该方法3D打印出来后,还有其他工作需要做。多余的材料需要洗掉,有些物体表面还需要手工打磨,有时还要根据打印需求将物体放入紫外线“微波炉”中进一步固化。
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SL打印的优势在于激光作业快速、精确。多束激光可并行工作,其分辨率比挤压式3D打印头更高。当今的工业级3D打印机可生产出精细的模型和零部件,层薄仅为10微米,比一张薄纸片还要薄。随着光敏聚合物原材料质量的提升,以及应用范围的不断扩大,SL打印机可生产出更多具有特殊材料属性的物体。
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图5–5 UV激光循着连续的横截面形状扫描,被固化的部分慢慢地沉入桶中
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图片来源:Solid Concepts Inc.
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SL打印的缺点在于吸入未固化的光敏聚合物粉尘会中毒,而且光敏聚合物并不像工业注塑成型所使用的热塑性塑料那样结实耐用。由于维护SL打印机的激光器十分复杂且成本高昂,对于大多数家庭用户来说,SL打印机过于昂贵。但是使用来自蓝光光盘的低成本UV激光器的廉价机器市场可能会有所增长。目前的SL打印机一次只能打印一种材料。
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