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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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图5–6 这是世界上最早的3D打印成果,所用的SL技术可追溯到20世纪80年代
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图片来源:Chuck Hull
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激光烧结
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选择性LS(激光烧结)由得克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。选择性LS使用类似于SL打印机的技术,所不同的是其不使用液态光敏聚合物,而是使用粉末。
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和SL一样,很多人很难将LS打印工艺视为一种“打印工艺”。这种打印机以高功率激光束在粉床表面扫描,激光照射到的粉末融化,打印机内部的滚筒在粉床顶部刷上一层新的粉末并将打印台降低1毫米。
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用粉末代替液体材料进行打印有其优势:一个用粉末打印出来的物体不太可能在打印过程中倒塌,因为未熔化的粉末可作为其内部支撑。在一些情况下,未使用的松散粉末可回收再利用。由于大部分原材料都可制成粉末形式,比如尼龙、钢、青铜和钛,因此粉末材料应用范围更广。
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就缺点而言,使用LS打印机制造的物体表面往往不光滑、多孔。目前LS打印机还不能同时打印不同类型的粉末,不适合家庭或办公室使用。由于某些粉末若处理不当会引发爆炸,所以LS打印机必须使用氮气填充密封腔。
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图5–7 一束激光正在熔融金属粉末,打印过程完成后物体最终被埋在粉末下
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图片来源:Solid Concepts Inc.
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最后,LS打印是高温过程,刚刚打印完的物体不能立刻从机器中取出。视打印层的尺寸和厚度的不同,大型物体可能需要一天的冷却时间。
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三维打印
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根据另一易混淆的命名惯例,3DP(三维打印)使用一种称作“三维打印”的工艺,其通过打印头将黏合剂或某种胶挤到原材料粉末中。3DP是在20世纪80年代由麻省理工学院的学生保罗·威廉姆斯和他的导师伊莱·萨克斯教授发明的。
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那时,商业类增材制造系统使用激光或有毒的打印材料,而且整个系统体积有小卡车大小。早期的增材制造机器操作复杂且价格昂贵。由于3DP是个受欢迎的替代品,因此麻省理工学院在后来将3DP的相关技术申请了专利并授权给了几家公司(这些技术后来成为世界上很多商业类3D打印机的基础)。
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图5–8 彩色3DP工艺将彩色胶水喷至淀粉基粉床上,然后再涂一层新的粉末并重复此过程
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图片来源:David McCarthy
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3DP的突破性在于它的简单。保罗·威廉姆斯对于3DP的愿景相当大胆,特别是在当时那种技术现状下。保罗在他的硕士论文中写道:“台式机生产的目标是只需要按一下按钮就可以制造零部件,而无须其他操作。”他设想作为台式制造系统的3DP将是精确、快速、廉价和易于使用的。
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今天,3DP已经实现了其创始人的愿望,成为一种流行的、成本低廉的3D打印方法。由于3DP打印机通过在原材料内挤入胶水生成层,所以并不需要激光,而且有很多原材料可以使用。3DP打印机不需要高功率的组件,因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光,从而很难制造出很薄的层,制造出的物体往往表面粗糙。
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3DP突出的优势之一就是可以彩色打印。当胶水沉积时,一些附加的彩色墨水也会被喷入,可制造出全彩色三维模型。3DP可使用粉末状材料,从可生产出砂岩状纹理的淀粉状材料到需要在火炉中硬化的粉状陶土,都可以作为3DP的打印材料,还有一些3DP使用玻璃粉末、骨骼粉末、轮胎碎片甚至是锯末。有的打印机还使用青铜等金属粉末,胶合的青铜需要放入熔炉烧结成固体。
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