1.立体光固化成型工艺

立体光固化成型工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，液态光敏树脂会在一定波长和强度的紫外光照射下发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态转化为固态。该方法是采用立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）原理的一种工艺，也是最早出现的、技术成熟和应用广泛的快速原型技术，由美国3D Systems公司在20世纪80年代后期推出。

SLA工艺是在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束的照射下快速固化，可升降的工作台在步进电动机的驱动下能做上下运动。当成型过程开始时，工作台处于液面下一个截面层厚的高度，计算机控制聚焦后的激光束按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片；然后，工作台下降一层薄片的高度，已固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固地黏结在前一层上，不断重复这一动作，直到整个产品成型完毕；最后，升降台升出液体树脂表面即可取出工件，对工件进行清洗和表面光洁处理。光固化成型的原理如图2-32所示。

图2-32 光固化成型的原理

SLA工艺具有很多优点，如系统工作稳定、分辨率和尺寸精度较高、表面质量较好等。SLA设备的系统稳定性较好、自动化程度高，系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无须专人看管，直至整个工艺过程结束；系统分辨率和尺寸精度较高，一般可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内；零件表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶状不平及不同层面间的曲面不平现象。

SLA工艺也有如下缺点：

1）可选材料只能是光敏树脂，且光敏材料存在若干缺点，如固化后较脆、易断裂，再加工性不好，而且会稀释膨胀；随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的弯曲变形。

2）产生紫外激光的激光管的寿命仅为3000h，价格较昂贵；同时需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。

3）未被激光束照射的部位仍然是液态，需要考虑工件的悬伸部分，并设计相应的支撑结构，以便确保在成型过程中制件的每一结构部位都能可靠定位。

立体光固化成型工艺适合制作中、小型工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用于装配和工艺规则检验。它还能代替蜡模制作浇注模具，以及作为金属喷漆模、环氧树脂模和其他软模的母模，是目前较为成熟的快速成型工艺。

目前我国也开发了相应的激光快速成型机，该设备采用高精密动态聚焦系统，在整个工作面上光斑直径≤0.12mm，重复定位精度达到±0.005mm；采用伺服电动机、精密滚珠丝杠组成的闭环控制系统，使Z向升降台重复定位精度达到±0.002mm；采用最新激光能量自适应控制系统，零件表面粗糙度大幅度提高；实时控制微量泵动态补偿，不影响有效工作平面，精确控制层厚；采用超高速扫描器，激光扫描速度可达到8000mm/s，成型效率可达60g/h，精度保证在±0.1mm以内。

2.选择性激光烧结工艺

选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）工艺采用CO₂激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法，其成型原理如图2-33所示。在开始加工之前，首先，在工作平台上铺一层粉末材料，并将其加热，温度控制在略低于熔化温度；然后，激光束在计算机的控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。当第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层的烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5～10h冷却，即可从粉末缸中取出零件；未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件；未经烧结的粉末基本可自动脱掉，并重复利用。因此，SLS工艺不需要建造支撑，事后也不用清除支撑。

图2-33 选择性激光烧结的成型原理

SLS工艺具有如下优点：

1）可烧结的材料比较广泛，如绝大多数工程用塑料、蜡、金属和陶瓷等。

2）无须设计和构造支撑，无须剥离废料。

3）材料利用率高，发展优势较大。

4）零件构建时间短，可直接制作塑料件、模具等。

但该技术同样存在如下缺点：

1）消耗能量大，成型时间长。SLS工艺必须对整个截面进行扫描和烧结，加上要花近2h的时间将粉末加热到熔点以下，零件构建之后还要用较长时间冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出，成型时间较长。

2）表面质量较差。表面质量受粉末颗粒大小及激光点的限制，成型件结构疏松多孔，质量较差。

3）后处理复杂，环境友好性差。为了使表面光滑，必须将它置于加热炉，烧掉其中的黏结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理较为复杂；此外，激光烧结过程中会产生有毒气体，污染环境。

选择性激光烧结工艺适合成型中、小件，能直接得到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光固化成型工艺要小。激光烧结快速成型工艺适用于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜后置处理，因而其制成的产品具有与金属零件相近的力学性能，故可用于制作EDM电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产。

3.分层实体制造工艺

分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）工艺是一种薄片材料热熔叠加工艺。分层实体制造工艺是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头沿x和y方向移动，其工作原理如图2-34所示。供料机构将底部涂有热熔胶的箔材分段地送至工作台的上方，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用CO₂激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将轮廓与外框之间多余的区域内切割成小碎片；然后，由热压机构的热压辊将一层层纸压紧并黏结在一起，可升降的工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后降低一个纸厚，如此循环往复，最终得到由许多小废料块包围的三维原型零件；最后取出并将多余的废料小块剔除，就可以获得分层制造的三维实体产品。典型的设备是美国Helisys公司生产的LOM-2030H型箔材叠层快速成型机。

LOM工艺的关键技术是控制激光的功率和切割速度，以保证良好的切口质量和切割深度。系统软件中具有激光切割速度与切割功率的自动匹配模块，它能根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，以便在保证高切割质量的前提下，有较高的生产率，使得在快速切割直线时有足够的切割功率，能恰好切透一层纸；切割圆弧时不会因切割功率过大而烧糊。此外，激光切口宽度的自动补偿模块能自动快速识别截面的内外轮廓线，根据激光的切口宽度，控制切割头相对于理论的内外轮廓线，自动向内或向外偏移半个切口宽度，从而保证实际切得的轮廓线与理论轮廓线相重合。

图2-34 分层实体制造的工作原理(www.daowen.com)

LOM工艺的优点如下：

1）成型效率高，可制作大型零件。由于只需使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无须扫描整个断面，所以成型过程较快，是一种高速的快速成型工艺；而且零件体积越大，与其他快速成型工艺方法相比，效率越高。

2）直观反映了快速成型的原理和整个加工过程。

3）加工后的零件耐200℃高温，有较高的硬度和较好的力学性能，可切削加工也可以直接使用，无须进行后矫正。

4）无须设计和构建支撑结构，无须后续固化处理。

5）运行成本较低且材料价格便宜。

LOM工艺的缺点也很明显，如可供应用的原材料种类较少，目前经常采用的只是纸，其他箔材尚在研制开发中；纸制零件易吸潮，必须立即进行后处理、涂装；由于去除结构里面的废料比较复杂，仅限于构建结构简单的零件，难以加工形状和内部结构复杂、比较精细的零件；当加工室的温度过高时常有火灾危险等。

4.熔融沉积成工艺

熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）工艺是将各种丝材加热熔化，使其高于固化温度，而喷出成型时稍低于固化温度，逐层沉积熔接而形成实体造型的成型方法。熔融沉积成型不是将激光作为成型能源，而是通过加热喷头将热塑性材料熔化。具体过程是：在计算机的控制下根据产品零件的截面轮廓信息，做平面运动，热塑性丝材由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后，工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，如此循环，最终形成三维产品零件。熔融沉积成型原理如图2-35所示。

FDM工艺的优点如下：

1）原材料成本较低，且选择范围较大，如ABS、浇注用蜡和人造橡胶等，此外原材料一般以卷轴线的形式提供，易于搬运和快速更换。

2）工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾，属于环境友好型制造技术。

3）支撑材料可去除，能够快速构建瓶状或中空零件。

4）不需要使用激光器，整机结构简单，设备成本相对较低。

图2-35 熔融沉积成型原理

5）成型过程中无化学变化，零件弯曲变形较小。

FDM工艺也有以下缺点：

1）精度较低，成型表面有明显条纹，沿成型轴垂直方向的强度较弱，难以构建结构复杂的零件。

2）成型速度较慢，不适合构建大型零件。

3）对支撑材料的性能有严格要求。

熔融沉积成型的材料一般为工程塑料（ABS）以及尼龙、蜡或塑料丝等，其中ABS属热塑性材料，具有耐高温、抗冲击及易加工等特性，并且成型强度较高，故应用较为广泛，用于汽车、电冰箱、大强度工具和娱乐用品等方面。1999年，美国的Stratasys公司开发出了水溶性支撑材料，有效解决了支撑材料的去除问题，可以实现小孔、中空等复杂结构的成型；去除掉支撑材料的成型零件之间可实现相对运动，对有相对运动位置关系的零件系统可实现一次性快速成型，免去了装配工序。

5.三维印刷工艺

三维印刷（three dimensional printing，3DP）工艺与选择性激光烧结工艺（SLS）有些相似，都是采用粉状的材料，不同之处在于成型机理。3DP的成型方法是将黏结剂由打印头喷出，而不是用激光对粉末材料加以烧结，在成型过程中没有能量的直接介入。由于它的工作原理与打印机或绘图仪相似，所以被称为三维印刷，也称3D打印。含有黏结剂的喷头在计算机的控制下，按照零件截面轮廓的信息，在铺好一层粉末材料的工作平台上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结在一起，形成截面轮廓。当一层粉末成型完成后，工作台下降一个截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层轮廓的黏结，如此循环，最终形成三维产品的原型，其工作原理如图2-36所示。为提高原型制件的强度，可浸蜡、树脂或特种黏结剂做进一步的固化。该工艺特点是成型速度快，设备简单、粉末材料价格较便宜，制作成本低，工作过程没有污染，可在办公室条件下使用；但制成原型尺寸精度较低，强度较低，特别适合制作小型零件的原型。

图2-36 粉末黏结式三维印刷的工作原理

3DP工艺的特点是成型速度快，成型材料成本较低，并且可以在黏结剂中添加颜料，制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一，非常适合做桌面型的快速成型设备。《经济学家》杂志刊登的《第三次工业革命》一文认为，以三维印刷（3DP）工艺为代表的数字化制造技术将引发第三次工业革命，对产品设计、制造工艺、制造装备，以及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革，美国等发达国家已宣称将其作为“再工业化”“重新夺回制造业”“重振经济”的国家战略。自1992年三维印刷技术诞生，1995年前后出现商用化3DP设备至今，经过近20年的推广与发展，已经成为所有增材制造技术（AM）中极具竞争力的成型工艺。根据2011年Wohlers Associates咨询公司提供的数据，2010年全球范围内有关增材制造技术的材料、装备和服务所创造的经济价值达13亿美元，全球知名增材设备制造商的工业增材制造设备销售量为6200多台套，其中大多数为三维印刷成型设备。2010年也是商品化的个人三维印刷设备增幅较大的一年，从2007年的66台到2009年的1816台，而在2010年的数量为5978台。

根据全球三维印刷的应用领域，3DP设备可分为面向工业应用的设备和家庭或办公室应用的设备两大类。工业应用的3DP设备主要用于各类模具的快速制造，大尺寸、高精度金属及非金属零件的直接快速制造；微电子、有机电子制造领域的集成电路、无源器件、三维微结构制作及微透镜制作等，以满足工业生产中对于制造特殊功能和形状零部件的需求，企业对于缩短产品开发、制造周期的追求。家庭或办公室应用的3DP设备主要应用于各类模型的快速制造及个性化家庭用品的制造等，其产品要求占地面积小，适用于彩色打印、高打印速度，具有模型制造能力，这部分在3DP市场份额中占主要部分。

在我国制造业大而不强、信息化与工业化融合推进及走新型工业化道路的过程中，推进3DP工艺技术对增强我国制造业创新能力、提升工艺制造能力、破解制造业发展与资源环境困局、培育新兴产业及优化产业结构等具有极其重要的战略意义。