如何选择工业 3D 打印机

工业 3D 打印技术可满足企业进行从原型制造到生产部件的各类应用场景需求。主流技术包括熔融沉积成型 (FDM)、立体光固化 (SLA)、选择性激光烧结 (SLS)、材料喷涂成型和金属 3D 打印。

这些技术近年呈现一个共同趋势：功能强大但更紧凑易用的工业 3D 打印机相继问世，使得初始投资成本从 10 万至 20 万美元降低到通常低于 1 万美元。

FDM 3D 打印又称熔丝制造 (Fused Filament Fabrication, FFF)；该方法通过熔化和挤出热塑性长丝使部件成型，打印机喷嘴会将热塑性长丝逐层沉积在成型区域。

FDM 是消费者群体中使用最广泛的 3D 打印形式，业余级 3D 打印机的出现加速了该技术的发展进程。然而，工业 FDM 3D 打印机也受到专业人员的欢迎。

• FDM 工业 3D 打印机的优势

FDM 适用于一系列标准热塑性塑料，例如 ABS、PLA 及其各种混合物。这导致入门价格和材料价格较低。FDM 最适合制作基本的概念验证模型，以及更简单部件的低成本原型制造。

• FDM 工业 3D 打印机的缺点

与 SLA 或 SLS 等其他工业 3D 打印技术相比，FDM 的分辨率和精度都要更低，因此并不适合打印复杂设计或具有精细特征的部件。更高质量的饰面需要冗长的劳动密集型化学和机械抛光过程。工业 FDM 3D 打印机使用可溶性支撑来解决其中一些问题，并提供更丰富的工程热塑性塑料，但其价格也很高。打印大型部件时，FDM 工业 3D 打印机的速度也往往低于 SLA 或 SLS。

SLA 打印机使用激光将液态树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚合。由于具备高分辨率、高精度和材料用途广泛等特点，SLA 已经成为了专业人士的热门选择之一。

过去，应用 SLA 技术的大型复杂工业 3D 打印机成本高昂，不低于 20 万美元，但如今该工艺已日益普及。随着形朗 (Formlabs) 推出 Form 4 打印机，企业现在只需花费 4499 美元就可以获得工业级质量且打印速度极快的 SLA 3D 打印机。大幅面 SLA 打印机 Form 4L 的起售价仅为 9999 美元。

• SLA 工业 3D 打印机的优势

与其他所有塑料 3D 打印技术打印的部件相比，SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最高的表面光洁度。SLA 的主要优势在于其多功能性；SLA 树脂配方具有广泛的光学、机械性能和热性能，可匹配标准、工程和工业热塑性塑料。以形朗 (Formlabs) Form 4 和 Form 4L 为代表的掩模立体光固化 (MSLA) 3D 打印机，也是 3D 打印大型部件的最快选择，速度比 FDM 快达 10 倍。

对于要求严格公差和光滑表面，同时具有高精细度的原型（如模具、工具、模型、医学模型和功能性部件）来说，SLA 是理想的选择。SLA 还提供具有最高热变形温度（0.45MPa 条件下 238°C）的材料，因此是某些工程和制造应用的理想选择；还涵盖各种生物相容性材料，非常适合牙科和医疗应用。

• SLA 工业 3D 打印机的缺点

功能广泛的 SLA 技术与 FDM 相比价格略高，但仍比所有其他工业 3D 打印工艺更实惠。SLA 树脂部件在打印后也需要进行后处理，包括清洗部件和后固化。

选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔融的粉末在打印过程中支撑部件，无需专用支撑结构，使 SLS 成为复杂机械部件尤其有效的选择。

SLS 能够生产具有出色机械性能的部件，是工业应用中最常见的聚合物增材制造技术。

与 SLA 一样，SLS 过去仅限于复杂的大幅面 3D 打印系统，这些设备的起售价约为 20 万美元。随着 Formlabs 推出 Fuse 系列 SLS 打印机，企业现在可以获得起售价不到 3 万美元、成型体积为 30 × 16.5 × 16.5cm 的工业 SLS 技术。

• SLS 工业 3D 打印机的优势

由于 SLS 打印不需要专用的支撑结构，因此非常适合打印内部特征、凹槽、薄壁和凹入特征等复杂几何结构。使用 SLS 打印技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注射成型部件。

SLS 最常见的材料是尼龙，这是一种热门工程热塑性塑料，具有出色的机械性能。尼龙重量轻、强度高、柔韧性好，而且耐冲击、耐化学腐蚀、耐高温、抗紫外线、防水、防尘。

由于单件成本低、产率高且材料成熟，SLS 成为工程师进行功能性原型制造时的热门选择，也可以在有限生产或过渡生产中，经济高效地替代注射成型。

• SLS 工业 3D 打印机的缺点

与 FDM 或 SLA 技术相比，SLS 的入门价格较高。虽然尼龙是一种多功能材料，但 SLS 的材料选择也比 FDM 和 SLA 更有限。打印完成后的部件表面略显粗糙，需要进行介质喷砂处理才能获得光滑的光洁度。

材料喷涂成型 3D 打印机采用与传统喷墨打印机类似的打印头，通过沉积和固化光敏聚合物材料液滴，并利用紫外线光固化成型。部分先进的材料喷涂成型打印机还能实现多材料复合打印。

• 材料喷涂成型工业 3D 打印机的优势

材料喷涂成型后的成品精确度高，表面光滑。其卓越的整体精度表现，加之作为少数支持多材料打印和全彩打印的工艺之一，材料喷涂成型是制作全彩原型或解剖模型等逼真原型的理想选择。

• 材料喷涂成型工业 3D 打印机的缺点

材料喷涂成型打印机只能使用粘度较低的材料，限制了材料的选择范围。其成品普遍存在脆性高、对光敏感、耐热性差等问题，且会随时间逐渐劣化，因此不适合制造功能性原型。相比之下，SLA 树脂 3D 打印在功能性材料方面更具优势，其树脂材料可通过添加蜡、玻璃等颗粒来赋予特定性能。 

除了塑料 3D 打印外，还有多种工业金属 3D 打印工艺。

• 金属 FDM

金属 FDM 打印机的工作原理与传统 FDM 打印机类似，但通过挤出由聚合物粘合剂粘结制成的金属棒打印部件。得到的“原始”部件随后将在炉中烧结，以去除粘合剂。

• 选择性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM) 和直接金属激光烧结 (Direct Metal Laser Sintering, DMLS)

与 SLS 打印机类似，SLM 和 DMLS 打印机的工作原理是使用激光将金属（而非聚合物）粉末颗粒逐层熔合在一起。SLM 和 DMLS 3D 打印机能够精确打印出坚固复杂的金属产品，是航空航天、汽车和医疗应用的理想选择。

虽然金属 3D 打印机的价格也开始下降，成本从 10 万美元到 100 万美元不等，但大多数企业仍然无法负担。

作为替代方案，SLA 3D 打印非常适合铸造工艺流程和生产金属部件；且与传统方式相比，该技术的成本更低、设计自由度更大，且生产周期更短。 

FDM、SLA、SLS、材料喷涂成型和金属 3D 打印在不同的应用中都有各自的优缺点。

工业 3D 打印机可广泛应用于多个领域，如原型制造、混合制造以及批量生产等。

通过原型制造，设计师和工程师可以比以往更快地直接通过 CAD 数据创建原型，并根据实际测试和反馈快速地反复修改设计。

这些部件或装配件通常使用增材制造技术而非传统的减材制造方法进行构建，因此快速原型制造已成为了增材制造和 3D 打印的代名词。

增材制造与原型制造是天生一对。增材制造可以提供近乎无限的形状自由度，无需工具，且可以生产出机械性能与传统工艺材料紧密匹配的部件。

利用内部工业 3D 打印机，工程师和设计师能够以远低于传统制造的成本，快速制作出逼真的功能性原型，从而在数字设计和物理原型之间快速迭代。如今，创建原型可在一天之内完成，并根据实际测试和分析的结果对设计、大小、形状或装配件进行多次迭代。最终，快速原型制造工艺能够帮助企业比其竞争对手更快地将更好的产品推向市场。

混合制造将 3D 打印与注射成型、热压成型或铸造等传统制造工艺相结合，通过提高生产流程的灵活性、敏捷性、可扩展性和成本效益，从而改进生产流程。这种制造模式使制造商能够快速响应不断变化的市场需求。

与外包给外部供应商，让他们采用机械加工固体塑料或金属块制造部件相比，工业 3D 打印机能够实现内部快速制造便宜的夹具、固定装置和工具，从而节省数天或数周的交货时间、 提高业务敏捷性并显著降低成本。

• 模具制造

制造能承受工厂严苛环境要求的定制工具，以及助力解决制造过程中最棘手的难题。通过直接打印用于各种应用（例如注射成型和 CNC 弯管工序）的工具，您可以验证制造流程、解决 DFM 问题并提高灵活性。

• 夹具和固定装置

通过内部生产夹具和固定装置，并且无需符合最低订货量要求和编程刀具路径、以及可选用不同的材料种类和使用低成本的设备，您可以降低成本并提高敏捷性。使用改善装配或质量保证流程的夹具和固定装置，可不断改善产品，并快速有效地处理生产线上的问题。

随着 3D 打印的成本效益不断提高，单件制造成本门槛逐步降低：这项技术正逐步应用于价值相对较低但需求量更大的生产场景。在技术创新和材料性能提升的双重驱动下，增材制造必将从快速原型制造进一步向成品部件和大规模生产拓展。

多个行业已经将 3D 打印材料融入其制造流程，不仅用于制作模具和铸造模型，甚至可以直接打印成品部件。

• 大规模定制生产

无需投资昂贵的工具，亦不需要大量的时间、能源或材料，3D 打印技术让您通过生产简单的部件，制造各种复杂的设计。自动化 3D 打印方案可帮助您大规模生产个性化产品，以配合大众市场需求。例如，您可以针对医疗保健中特定客户的需要定制模型，如制造鞋子和耳塞等消费产品。

• 短期生产

采用 3D 打印进行短期生产可以让您灵活地改变设计，而无需投资高昂成本于制造工具中。这也是生产大量最终成品的高成本效益替代方案。