編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)“3D打印技術(shù)參考”（ID:AMReference），3D打印資源庫(kù)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

聚合物3D打印市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，《Wohlers Report2022》指出，聚合物粉末的消耗量在2021年超過(guò)了光敏樹(shù)脂，全年增長(zhǎng)43.3%，成為使用最多的3D打印材料。工業(yè)3D打印機(jī)OEM之間的競(jìng)爭(zhēng)比以往任何時(shí)候都更加激烈，高速燒結(jié)(HSS)、多射流熔融(MJF)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)是當(dāng)前聚合物粉末床3D打印的主要工藝。

HSS最初由拉夫堡大學(xué)和贏創(chuàng)在2000年代初同時(shí)發(fā)明，是一種類(lèi)似于粘結(jié)劑噴射的基于粉末的3D打印工藝，具有快速打印和制造大型零件的特點(diǎn)。自2016年商業(yè)化以來(lái)，voxeljet開(kāi)發(fā)了自己的HSS裝備，并于2017年推出了其第一臺(tái)HSS 高速燒結(jié)3D打印機(jī)。隨后幾年該公司又推出多款設(shè)備，2020年發(fā)布的VX1000 HSS成型尺寸達(dá)到了1000 x 540 mm，具有很高的自動(dòng)化和高生產(chǎn)率，適用于大批量塑料零件的工業(yè)增材制造，是傳統(tǒng)注塑成型經(jīng)濟(jì)可行的替代方案。

The voxeljet VX1000 HSS，圖片來(lái)自：voxeljet

實(shí)際上，MJF技術(shù)與HSS類(lèi)似，也采用噴墨+熔融成型?；萜諡楣δ苄栽驮O(shè)計(jì)和最終用途生產(chǎn)提供工程級(jí)塑料部件，在汽車(chē)和消費(fèi)品等行業(yè)中得到應(yīng)用。

與基于噴墨的HSS和MJF工藝不同，SLS采用激光實(shí)現(xiàn)粉末床熔融。傳統(tǒng)上采用10.6μm激光配合掃描振鏡實(shí)現(xiàn)粉末燒結(jié)。但近些年來(lái)，3D打印技術(shù)參考觀察到該技術(shù)的代表企業(yè)開(kāi)發(fā)了一些新形勢(shì)，如華曙高科通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行調(diào)配，能夠使用1.06μm的光纖激光進(jìn)行燒結(jié)，而EOS也在開(kāi)發(fā)基于百萬(wàn)二極管激光器的LaserProFusion多點(diǎn)同時(shí)燒結(jié)結(jié)技術(shù)。

由于所有工藝都具有相似的特性和表面質(zhì)量，因此這些聚合物3D打印技術(shù)被視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況并不少見(jiàn)。國(guó)外3D Printing Industry的工程師對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，本期，3D打印技術(shù)參考就來(lái)介紹這些技術(shù)的異同點(diǎn)。

噴墨之戰(zhàn)：HSS vs MJF

HSS高速設(shè)計(jì)是如何工作的呢？它首先在加熱的構(gòu)建平臺(tái)上鋪上一層薄薄的聚合物粉末，然后，噴墨打印頭在平臺(tái)上移動(dòng)并噴射紅外反應(yīng)墨水以選擇粉末床的區(qū)域。在紅外光的照射下，注入墨水的粉末會(huì)吸收熱量，將其燒結(jié)并熔化成固體層，未噴墨的部位因未能吸收足夠的熱量而保持松散。以此逐層打印，直到打印出整個(gè)部件。

MJF在許多方面與HSS相似。MJF也是將吸收輻射的流體（又稱(chēng)融合劑）噴射到聚合物粉末床的零件截面區(qū)域，并在零件邊界噴射細(xì)化劑以防止零件截面外的粉末固化。噴射完成后，使用紅外燈照射整個(gè)構(gòu)建區(qū)域，浸入墨水的部分熔化，細(xì)化劑噴射的邊界保持未融合。

這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于使用的墨水?dāng)?shù)量。HSS不需要第二種冷卻劑，因?yàn)関oxeljet的3D打印機(jī)可以相互獨(dú)立地控制結(jié)合和未結(jié)合粉末材料的溫度。他們通過(guò)使用兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的紅外發(fā)射器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這意味著不需要細(xì)節(jié)處理劑來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的邊緣。

兩種控制手段帶來(lái)的結(jié)果也不同，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS僅能達(dá)到360dpi。但決定零件分辨率的關(guān)鍵因素仍然是粉末的粒度，因此在這種情況下，更高的打印頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實(shí)上，由于HSS液滴略大于單個(gè)聚合物顆粒（通常約為55μm寬），它們能夠完全覆蓋顆粒之間的交叉點(diǎn)，這對(duì)于燒結(jié)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

HSS和MJF的分辨率比較，圖片來(lái)自：voxeljet

MJF系統(tǒng)的最大構(gòu)建體積為380 x 284 x 380mm，而voxeljet VX 1000 HSS的最大構(gòu)建體積為1000 x 540 x mm（用于PA12）。VX 1000 HSS在打印速度方面也獨(dú)樹(shù)一幟，高達(dá)7300cm³/h。另一方面， MJF最高效的3D打印機(jī)的打印速度為5058cm³/h。

這兩種工藝的另一個(gè)主要區(qū)別是HSS的3D打印開(kāi)源策略。voxeljet客戶(hù)能夠自由地訪(fǎng)問(wèn)他們機(jī)器的所有工藝參數(shù)，毫無(wú)阻礙地根據(jù)自己的材料調(diào)整打印參數(shù)。這可以顯著節(jié)省成本，因?yàn)橛脩?hù)直接與材料供應(yīng)商協(xié)商自己的粉末價(jià)格。用戶(hù)可嘗試的聚合物種類(lèi)可以很多，包括PA12、TPU和PP，這些材料有的已上市，有的即將上市。此外，成功的概念驗(yàn)證包括PA613、PEBA和EVA。

相比之下，MJF 3D打印機(jī)能夠打印PA12、PA11和PP。這兩種技術(shù)都允許對(duì)未打印的粉末材料進(jìn)行回收和再加工。

MJF3D打印機(jī)的構(gòu)建室，圖片來(lái)自：Protolabs

聚合物粉末床3D打印的傳統(tǒng)工藝——SLS激光燒結(jié)

對(duì)于SLS 3D打印工藝，在高溫預(yù)熱條件下，激光掃描到粉末床中，粉末并沒(méi)有完全熔化，而是將其燒結(jié)到足以融合在一起形成固體層的程度。最大的SLS系統(tǒng)可以打印米級(jí)范圍內(nèi)的零件，Z高度打印速度約為48mm/小時(shí)（取決于空間利用率）。

粉末床燒結(jié)系統(tǒng)是工業(yè)聚合物3D打印的主流工藝，可與各種聚合物粉末兼容，如PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK等等。

EOS工業(yè)聚合物3D打印機(jī)的構(gòu)建室，圖片來(lái)自：EOS

HSS vs MJF vs SLS：機(jī)械性能對(duì)比

為了評(píng)估每種3D打印技術(shù)的機(jī)械性能，工程師查看了一系列供應(yīng)商提供的一些拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)涵蓋每種技術(shù)的總共15個(gè)拉伸測(cè)試試樣（沿X、Y、Z軸各打印5個(gè)），所采用的的材料為PA12，并根據(jù)ISO527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

首先，為了確定哪種技術(shù)可以生產(chǎn)出強(qiáng)度最高的部件，工程師查看了平均極限拉伸強(qiáng)度(UTS)。這是零件在斷裂前可以承受的最大拉應(yīng)力。在這一輪中，平均打印強(qiáng)度最高的試樣是SLS（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。三種技術(shù)對(duì)應(yīng)的最大斷裂負(fù)載分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12數(shù)據(jù)表中，XY的UTS值為52±1MPa，Z的UTS值為46±1MPa。差異的原因是材料數(shù)據(jù)表是指具有針對(duì)機(jī)械數(shù)據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)的打印件。相比之下，為這項(xiàng)研究打印的試樣所選用的參數(shù)優(yōu)先側(cè)重了精度和細(xì)節(jié)。因此，客戶(hù)可以選擇打印具有針對(duì)他們自己的應(yīng)用優(yōu)化的參數(shù)。

接下來(lái)是楊氏模量，它可以顯示拉伸剛度。較高的楊氏模量意味著較硬的部件在彈性載荷下僅略微變形，而較低的楊氏模量對(duì)應(yīng)于在載荷下具有柔韌性的彈性較大的部件。這一次，HSS零件最佳，達(dá)到1.82GPa，其次是SLS 1.73Gpa和MJF 1.43Gpa。

最后測(cè)試了斷裂伸長(zhǎng)率，它可以顯示材料的延展性。測(cè)量顯示零件在斷裂之前可以拉伸多少，以原始長(zhǎng)度的百分比表示。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的延展性最高（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF生產(chǎn)的延展性零件最多（14.40%），其次是SLS（9.32%）和HSS（6.36%）。

HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度對(duì)比

接下來(lái)，工程師比較了每種3D打印技術(shù)的尺寸精度。對(duì)四種不同的零件幾何形狀進(jìn)行了三次掃描。將零件的這12次掃描與原始STL文件進(jìn)行了比較，能夠計(jì)算打印件表面各個(gè)點(diǎn)的偏差和不準(zhǔn)確性。使用的3D掃描儀的精度為±30μm。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，整體最精確的是四個(gè)SLS打印部件，它們的尺寸最接近STL模型的預(yù)期尺寸，平均偏移僅為0.0084mm。HSS的平均偏差0.0527mm，而MJF則進(jìn)一步靠后，為0.0603mm。

然而，僅靠平均值并不能說(shuō)明全部情況。從尺寸誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值來(lái)看，SLS實(shí)際上具有最高的擴(kuò)散度，為0.1232mm。緊隨其后的是0.1074mm的MJF，而HSS的掃描誤差之間的分布最小，僅為0.0925mm。因此，雖然SLS打印部件的尺寸通常更符合尺寸，但實(shí)際上是HSS工藝提供了最大的一致性和可重復(fù)性。

計(jì)量測(cè)試結(jié)果，圖片來(lái)自：3D Printing Industry

工程師仔細(xì)研究了四個(gè)幾何形狀之一的支架。鐘形曲線(xiàn)的邊界定義了99.6%的點(diǎn)所在的區(qū)域。例如，通過(guò)SLS 3D打印的99.6%的尺寸在其預(yù)期值的-0.366mm和0.388mm范圍內(nèi)。對(duì)于MJF，這些數(shù)字是-0.402mm和0.154mm。最后，對(duì)于HSS，99.6%的打印尺寸在其預(yù)期值的-0.313mm和0.155mm范圍內(nèi)。

有趣的是，絕大多數(shù)HSS和MJF零件的尺寸都小于其預(yù)期值，而不是更大。這可以歸因于這些3D打印方法固有的加熱步驟，其中聚合物部件使用紅外燒結(jié)和熔合以增加密度和強(qiáng)度。然而，這也會(huì)導(dǎo)致零件尺寸縮小，因此最好在打印準(zhǔn)備期間縮放零件的尺寸以抵消這種情況。

HSS vs MJF vs SLS：技術(shù)基準(zhǔn)測(cè)試

對(duì)技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試：表示細(xì)節(jié)分辨率的特殊立方體

為了進(jìn)一步評(píng)估這三個(gè)過(guò)程的打印能力，工程師評(píng)估了幾個(gè)物理3D打印基準(zhǔn)測(cè)試。這些測(cè)試中的第一個(gè)是一組三個(gè)用PA12打印的立方體。該設(shè)計(jì)包括幾個(gè)較小的立方體，每個(gè)立方體都具有獨(dú)特的3D打印特征，例如晶格幾何形狀或移動(dòng)齒輪系統(tǒng)。

立方體是一種動(dòng)態(tài)打印測(cè)試，包含大量移動(dòng)組件，這意味著它提供了一種很好的方法來(lái)確定三種技術(shù)之間的表面質(zhì)量差異。在這種情況下，工程師研究了每個(gè)立方體的組裝過(guò)程的容易程度，立方體運(yùn)動(dòng)的整體流動(dòng)性以及三種技術(shù)之間的細(xì)節(jié)分辨率。

3D打印的立方體-MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）
（圖片來(lái)自3D Printing Industry）

在組裝HSS立方體的時(shí)候，前六個(gè)面完全沒(méi)有用力就被夾住了。需要滑動(dòng)而不是夾住的角件由于摩擦而更難以插入到位，其中一些需要使用螺絲刀。

至于3D打印的特征，HSS立方體的球窩接頭根本不起作用，鉸鏈起作用但很硬。此外，工程師還遇到了太多的摩擦，齒輪系統(tǒng)根本無(wú)法移動(dòng)，而較大的立方體本身確實(shí)旋轉(zhuǎn)了，但有一些阻力。

仔細(xì)觀察一些更復(fù)雜的立方體元素，工程師注意到HSS部件在殘留粉末方面是最干凈的。事實(shí)上，在晶格幾何形狀的空腔中找不到任何松散的粉末，因此不需要額外的后處理。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

接下來(lái)，工程師組裝了SLS立方體。這一次，由于里面存在過(guò)多的粉末，工程師在六個(gè)夾入面面臨更多困難。然而，由于SLS提供的更光滑的表面紋理，滑入式角塊更容易組裝而沒(méi)有太多的摩擦。

查看3D打印的特征，球窩接頭不起作用，鉸鏈不起作用，但彈簧工作正常。同樣，齒輪系統(tǒng)的表面對(duì)表面粘合過(guò)多，根本無(wú)法移動(dòng)，但較大的立方體組件盡可能光滑?？偟膩?lái)說(shuō)，工程師對(duì)更寬的SLS組件的流動(dòng)性印象深刻，因?yàn)樗钊菀仔D(zhuǎn)。

由于晶格結(jié)構(gòu)中存在少量殘余尼龍粉末，工程師不得不對(duì)SLS構(gòu)建進(jìn)行一些小的額外后處理。這涉及在組裝之前吹出空腔并手動(dòng)搖出立方體元素。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

最后，工程師組裝了MJF立方體。就像HSS打印的一樣，前六個(gè)面很容易被夾住，但相對(duì)粗糙的表面紋理意味著滑入角件有一些費(fèi)力。

有趣的是，這個(gè)立方體上的3D打印功能提供了三者中最好的功能。MJF組件是唯一具有工作球窩接頭的組件，它有最平穩(wěn)的鉸鏈運(yùn)動(dòng)，并且彈簧按預(yù)期反彈。然而，由于MJF表面的顆粒狀紋理和粘合，齒輪系統(tǒng)未能再次移動(dòng)。其旋轉(zhuǎn)的特性與HSS零件相似。

與SLS立方體非常相似，工程師在單個(gè)元素中發(fā)現(xiàn)了少量殘留粉末。同樣，工程師必須在組裝MJF零件之前去除一些粉末，特別是通過(guò)吹出空腔并手動(dòng)搖出立方體。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

綜上所述，工程師可以看到HSS和MJF 3D打印立方體的顆粒明顯比SLS大，導(dǎo)致表面紋理更粗糙。對(duì)MJF立方體，工程師還可以看到層紋，這意味著HSS和SLS打印提供了最佳的整體表面質(zhì)量。

如果工程師比較三種技術(shù)之間的相同立方體，工程師會(huì)注意到HSS提供了最佳細(xì)節(jié)分辨率，提供最精細(xì)的邊緣、最銳利的角和最干凈的薄壁。SLS零件開(kāi)始變得有點(diǎn)模糊，有些失去了清晰度。最后，MJF零件在視覺(jué)上最生硬。

對(duì)技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試：工業(yè)零件

為了補(bǔ)充審查，服務(wù)提供商還向工程師發(fā)送了四種不同的工業(yè)零件設(shè)計(jì)，用PA12 3D打印。每個(gè)模型都進(jìn)行了3次3D打印：分別通過(guò)HSS、SLS和MJF。以下零件包括油管元件、懸掛原型、支架和具有多組孔和塔的通用基準(zhǔn)模型。就像立方體一樣，這些3D打印部件使工程師能夠定性地評(píng)估三種工藝的性能。

頂部-HSS，中間-SLS，底部-MJF：

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

查看管道元件、支架和懸掛原型，工程師再次看到SLS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)最光滑的表面。同樣，MJF零件是唯一具有肉眼可見(jiàn)層紋的零件。

從3D打印的基準(zhǔn)模型中，工程師可以看到HSS零件具有最精細(xì)的幾何凹槽和最清晰的字跡——這證明了該過(guò)程的準(zhǔn)確性，表明在細(xì)節(jié)分辨率方面，粉末顆粒尺寸確實(shí)比dpi更重要。SLS是唯一成功制造所有尖塔的工藝。

有趣的是，MJF和SLS構(gòu)件上圓孔具有最高的保形度，而HSS工藝產(chǎn)生的孔更接近于橢圓。HSS再次提供了最好的邊緣和最銳利的角，而SLS和MJF明顯更鈍。

HSS vs MJF vs SLS：零件制造成本和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

制造商在日常運(yùn)營(yíng)中實(shí)際使用這些聚合物3D打印技術(shù)的成本是多少？為了回答這個(gè)問(wèn)題，工程師尋找了幾家3D打印服務(wù)提供商。

為了比較HSS、MJF和SLS的價(jià)格，工程師要求提供四種不同3D打印部件的即時(shí)報(bào)價(jià)。工程師選擇PA12作為材料并對(duì)報(bào)價(jià)進(jìn)行平均，以提供每種工藝的綜合定價(jià)情況。

HSS 工藝被證明最具成本效益，平均零件價(jià)格為15.82歐元。MJF緊隨其后，平均零件成本為23.89歐元（+51.0%），而SLS被證明是成本效益最低的，平均成本為27.50歐元（+73.8%）。

由于技術(shù)的相似性，HSS和MJF在考慮初始成本時(shí)實(shí)際上定價(jià)相似，但有幾個(gè)因素最終使HSS更具成本效益。首先，voxeljet  VX 1000 HSS允許打印更大批量的零件，從而降低了批量生產(chǎn)中每個(gè)零件的成本。HSS也僅使用一種墨水，而MJF則依賴(lài)兩種，這種材料消耗的差異進(jìn)一步影響了成本。

就應(yīng)用而言，HSS和MJF都為汽車(chē)和消費(fèi)品等行業(yè)的功能原型設(shè)計(jì)和低應(yīng)力最終用途生產(chǎn)提供了一條可行的途徑。用例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、接線(xiàn)夾、制造指南和管道。

另一方面，SLS雖然價(jià)格更高，但適用于更高強(qiáng)度的零件，并且是三種能夠加工PEEK等高性能工程聚合物的唯一一種。不過(guò)，3D打印技術(shù)參考曾分析過(guò)，如PEEK這樣的高溫聚合物需要專(zhuān)用的SLS 3D打印機(jī)才能夠燒結(jié)。高強(qiáng)度最終用途組件市場(chǎng)愿意支付更高費(fèi)用，以獲得所需的機(jī)械性能。

END

通過(guò)對(duì)三種工藝的綜合對(duì)比，應(yīng)該選擇哪種聚合物3D打印技術(shù)呢？答案當(dāng)然是視情況而定。

HSS和MJF噴墨技術(shù)在零件強(qiáng)度方面不如SLS，但如果預(yù)算有限，并且相關(guān)組件不會(huì)承受極端負(fù)載，那么HSS可能更適合。工程師的測(cè)試還表明，HSS適用于高剛度零件，而MJF提供更大的延展性和彈性，即使使用相同的材料也是如此。因此，當(dāng)需要零件在受力或非均勻溫度下變形最小時(shí)，最好使用HSS，而在需要彎曲和柔韌性的情況下應(yīng)使用MJF。

在尺寸精度方面，基于激光的SLS工藝最佳，但HSS表現(xiàn)出最大的可重復(fù)性。同樣，這將取決于最終應(yīng)用。但對(duì)于許多系列生產(chǎn)應(yīng)用，可重復(fù)性對(duì)于確保產(chǎn)品可靠性和滿(mǎn)足某些最終質(zhì)量目標(biāo)至關(guān)重要。

最終，工程師建議在選擇任何一種3D打印技術(shù)之前，對(duì)特定零件和應(yīng)用的成本、交貨時(shí)間、材料選擇和機(jī)械性能要求進(jìn)行全面評(píng)估。

注：本文內(nèi)容來(lái)自3D Printing Industry，3D打印技術(shù)參考編譯

編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)“3D打印技術(shù)參考”（ID:AMReference），3D打印資源庫(kù)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

聚合物3D打印市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，《Wohlers Report2022》指出，聚合物粉末的消耗量在2021年超過(guò)了光敏樹(shù)脂，全年增長(zhǎng)43.3%，成為使用最多的3D打印材料。工業(yè)3D打印機(jī)OEM之間的競(jìng)爭(zhēng)比以往任何時(shí)候都更加激烈，高速燒結(jié)(HSS)、多射流熔融(MJF)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)是當(dāng)前聚合物粉末床3D打印的主要工藝。

HSS最初由拉夫堡大學(xué)和贏創(chuàng)在2000年代初同時(shí)發(fā)明，是一種類(lèi)似于粘結(jié)劑噴射的基于粉末的3D打印工藝，具有快速打印和制造大型零件的特點(diǎn)。自2016年商業(yè)化以來(lái)，voxeljet開(kāi)發(fā)了自己的HSS裝備，并于2017年推出了其第一臺(tái)HSS 高速燒結(jié)3D打印機(jī)。隨后幾年該公司又推出多款設(shè)備，2020年發(fā)布的VX1000 HSS成型尺寸達(dá)到了1000 x 540 mm，具有很高的自動(dòng)化和高生產(chǎn)率，適用于大批量塑料零件的工業(yè)增材制造，是傳統(tǒng)注塑成型經(jīng)濟(jì)可行的替代方案。

The voxeljet VX1000 HSS，圖片來(lái)自：voxeljet

實(shí)際上，MJF技術(shù)與HSS類(lèi)似，也采用噴墨+熔融成型?；萜諡楣δ苄栽驮O(shè)計(jì)和最終用途生產(chǎn)提供工程級(jí)塑料部件，在汽車(chē)和消費(fèi)品等行業(yè)中得到應(yīng)用。

與基于噴墨的HSS和MJF工藝不同，SLS采用激光實(shí)現(xiàn)粉末床熔融。傳統(tǒng)上采用10.6μm激光配合掃描振鏡實(shí)現(xiàn)粉末燒結(jié)。但近些年來(lái)，3D打印技術(shù)參考觀察到該技術(shù)的代表企業(yè)開(kāi)發(fā)了一些新形勢(shì)，如華曙高科通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行調(diào)配，能夠使用1.06μm的光纖激光進(jìn)行燒結(jié)，而EOS也在開(kāi)發(fā)基于百萬(wàn)二極管激光器的LaserProFusion多點(diǎn)同時(shí)燒結(jié)結(jié)技術(shù)。

由于所有工藝都具有相似的特性和表面質(zhì)量，因此這些聚合物3D打印技術(shù)被視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況并不少見(jiàn)。國(guó)外3D Printing Industry的工程師對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，本期，3D打印技術(shù)參考就來(lái)介紹這些技術(shù)的異同點(diǎn)。

噴墨之戰(zhàn)：HSS vs MJF

HSS高速設(shè)計(jì)是如何工作的呢？它首先在加熱的構(gòu)建平臺(tái)上鋪上一層薄薄的聚合物粉末，然后，噴墨打印頭在平臺(tái)上移動(dòng)并噴射紅外反應(yīng)墨水以選擇粉末床的區(qū)域。在紅外光的照射下，注入墨水的粉末會(huì)吸收熱量，將其燒結(jié)并熔化成固體層，未噴墨的部位因未能吸收足夠的熱量而保持松散。以此逐層打印，直到打印出整個(gè)部件。

MJF在許多方面與HSS相似。MJF也是將吸收輻射的流體（又稱(chēng)融合劑）噴射到聚合物粉末床的零件截面區(qū)域，并在零件邊界噴射細(xì)化劑以防止零件截面外的粉末固化。噴射完成后，使用紅外燈照射整個(gè)構(gòu)建區(qū)域，浸入墨水的部分熔化，細(xì)化劑噴射的邊界保持未融合。

這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于使用的墨水?dāng)?shù)量。HSS不需要第二種冷卻劑，因?yàn)関oxeljet的3D打印機(jī)可以相互獨(dú)立地控制結(jié)合和未結(jié)合粉末材料的溫度。他們通過(guò)使用兩個(gè)具有不同波長(zhǎng)的紅外發(fā)射器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這意味著不需要細(xì)節(jié)處理劑來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的邊緣。

兩種控制手段帶來(lái)的結(jié)果也不同，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS僅能達(dá)到360dpi。但決定零件分辨率的關(guān)鍵因素仍然是粉末的粒度，因此在這種情況下，更高的打印頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實(shí)上，由于HSS液滴略大于單個(gè)聚合物顆粒（通常約為55μm寬），它們能夠完全覆蓋顆粒之間的交叉點(diǎn)，這對(duì)于燒結(jié)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

HSS和MJF的分辨率比較，圖片來(lái)自：voxeljet

MJF系統(tǒng)的最大構(gòu)建體積為380 x 284 x 380mm，而voxeljet VX 1000 HSS的最大構(gòu)建體積為1000 x 540 x mm（用于PA12）。VX 1000 HSS在打印速度方面也獨(dú)樹(shù)一幟，高達(dá)7300cm³/h。另一方面， MJF最高效的3D打印機(jī)的打印速度為5058cm³/h。

這兩種工藝的另一個(gè)主要區(qū)別是HSS的3D打印開(kāi)源策略。voxeljet客戶(hù)能夠自由地訪(fǎng)問(wèn)他們機(jī)器的所有工藝參數(shù)，毫無(wú)阻礙地根據(jù)自己的材料調(diào)整打印參數(shù)。這可以顯著節(jié)省成本，因?yàn)橛脩?hù)直接與材料供應(yīng)商協(xié)商自己的粉末價(jià)格。用戶(hù)可嘗試的聚合物種類(lèi)可以很多，包括PA12、TPU和PP，這些材料有的已上市，有的即將上市。此外，成功的概念驗(yàn)證包括PA613、PEBA和EVA。

相比之下，MJF 3D打印機(jī)能夠打印PA12、PA11和PP。這兩種技術(shù)都允許對(duì)未打印的粉末材料進(jìn)行回收和再加工。

MJF3D打印機(jī)的構(gòu)建室，圖片來(lái)自：Protolabs

聚合物粉末床3D打印的傳統(tǒng)工藝——SLS激光燒結(jié)

對(duì)于SLS 3D打印工藝，在高溫預(yù)熱條件下，激光掃描到粉末床中，粉末并沒(méi)有完全熔化，而是將其燒結(jié)到足以融合在一起形成固體層的程度。最大的SLS系統(tǒng)可以打印米級(jí)范圍內(nèi)的零件，Z高度打印速度約為48mm/小時(shí)（取決于空間利用率）。

粉末床燒結(jié)系統(tǒng)是工業(yè)聚合物3D打印的主流工藝，可與各種聚合物粉末兼容，如PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK等等。

EOS工業(yè)聚合物3D打印機(jī)的構(gòu)建室，圖片來(lái)自：EOS

HSS vs MJF vs SLS：機(jī)械性能對(duì)比

為了評(píng)估每種3D打印技術(shù)的機(jī)械性能，工程師查看了一系列供應(yīng)商提供的一些拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)涵蓋每種技術(shù)的總共15個(gè)拉伸測(cè)試試樣（沿X、Y、Z軸各打印5個(gè)），所采用的的材料為PA12，并根據(jù)ISO527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

首先，為了確定哪種技術(shù)可以生產(chǎn)出強(qiáng)度最高的部件，工程師查看了平均極限拉伸強(qiáng)度(UTS)。這是零件在斷裂前可以承受的最大拉應(yīng)力。在這一輪中，平均打印強(qiáng)度最高的試樣是SLS（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。三種技術(shù)對(duì)應(yīng)的最大斷裂負(fù)載分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12數(shù)據(jù)表中，XY的UTS值為52±1MPa，Z的UTS值為46±1MPa。差異的原因是材料數(shù)據(jù)表是指具有針對(duì)機(jī)械數(shù)據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)的打印件。相比之下，為這項(xiàng)研究打印的試樣所選用的參數(shù)優(yōu)先側(cè)重了精度和細(xì)節(jié)。因此，客戶(hù)可以選擇打印具有針對(duì)他們自己的應(yīng)用優(yōu)化的參數(shù)。

接下來(lái)是楊氏模量，它可以顯示拉伸剛度。較高的楊氏模量意味著較硬的部件在彈性載荷下僅略微變形，而較低的楊氏模量對(duì)應(yīng)于在載荷下具有柔韌性的彈性較大的部件。這一次，HSS零件最佳，達(dá)到1.82GPa，其次是SLS 1.73Gpa和MJF 1.43Gpa。

最后測(cè)試了斷裂伸長(zhǎng)率，它可以顯示材料的延展性。測(cè)量顯示零件在斷裂之前可以拉伸多少，以原始長(zhǎng)度的百分比表示。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的延展性最高（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF生產(chǎn)的延展性零件最多（14.40%），其次是SLS（9.32%）和HSS（6.36%）。

HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度對(duì)比

接下來(lái)，工程師比較了每種3D打印技術(shù)的尺寸精度。對(duì)四種不同的零件幾何形狀進(jìn)行了三次掃描。將零件的這12次掃描與原始STL文件進(jìn)行了比較，能夠計(jì)算打印件表面各個(gè)點(diǎn)的偏差和不準(zhǔn)確性。使用的3D掃描儀的精度為±30μm。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，整體最精確的是四個(gè)SLS打印部件，它們的尺寸最接近STL模型的預(yù)期尺寸，平均偏移僅為0.0084mm。HSS的平均偏差0.0527mm，而MJF則進(jìn)一步靠后，為0.0603mm。

然而，僅靠平均值并不能說(shuō)明全部情況。從尺寸誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值來(lái)看，SLS實(shí)際上具有最高的擴(kuò)散度，為0.1232mm。緊隨其后的是0.1074mm的MJF，而HSS的掃描誤差之間的分布最小，僅為0.0925mm。因此，雖然SLS打印部件的尺寸通常更符合尺寸，但實(shí)際上是HSS工藝提供了最大的一致性和可重復(fù)性。

計(jì)量測(cè)試結(jié)果，圖片來(lái)自：3D Printing Industry

工程師仔細(xì)研究了四個(gè)幾何形狀之一的支架。鐘形曲線(xiàn)的邊界定義了99.6%的點(diǎn)所在的區(qū)域。例如，通過(guò)SLS 3D打印的99.6%的尺寸在其預(yù)期值的-0.366mm和0.388mm范圍內(nèi)。對(duì)于MJF，這些數(shù)字是-0.402mm和0.154mm。最后，對(duì)于HSS，99.6%的打印尺寸在其預(yù)期值的-0.313mm和0.155mm范圍內(nèi)。

有趣的是，絕大多數(shù)HSS和MJF零件的尺寸都小于其預(yù)期值，而不是更大。這可以歸因于這些3D打印方法固有的加熱步驟，其中聚合物部件使用紅外燒結(jié)和熔合以增加密度和強(qiáng)度。然而，這也會(huì)導(dǎo)致零件尺寸縮小，因此最好在打印準(zhǔn)備期間縮放零件的尺寸以抵消這種情況。

HSS vs MJF vs SLS：技術(shù)基準(zhǔn)測(cè)試

對(duì)技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試：表示細(xì)節(jié)分辨率的特殊立方體

為了進(jìn)一步評(píng)估這三個(gè)過(guò)程的打印能力，工程師評(píng)估了幾個(gè)物理3D打印基準(zhǔn)測(cè)試。這些測(cè)試中的第一個(gè)是一組三個(gè)用PA12打印的立方體。該設(shè)計(jì)包括幾個(gè)較小的立方體，每個(gè)立方體都具有獨(dú)特的3D打印特征，例如晶格幾何形狀或移動(dòng)齒輪系統(tǒng)。

立方體是一種動(dòng)態(tài)打印測(cè)試，包含大量移動(dòng)組件，這意味著它提供了一種很好的方法來(lái)確定三種技術(shù)之間的表面質(zhì)量差異。在這種情況下，工程師研究了每個(gè)立方體的組裝過(guò)程的容易程度，立方體運(yùn)動(dòng)的整體流動(dòng)性以及三種技術(shù)之間的細(xì)節(jié)分辨率。

3D打印的立方體-MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）
（圖片來(lái)自3D Printing Industry）

在組裝HSS立方體的時(shí)候，前六個(gè)面完全沒(méi)有用力就被夾住了。需要滑動(dòng)而不是夾住的角件由于摩擦而更難以插入到位，其中一些需要使用螺絲刀。

至于3D打印的特征，HSS立方體的球窩接頭根本不起作用，鉸鏈起作用但很硬。此外，工程師還遇到了太多的摩擦，齒輪系統(tǒng)根本無(wú)法移動(dòng)，而較大的立方體本身確實(shí)旋轉(zhuǎn)了，但有一些阻力。

仔細(xì)觀察一些更復(fù)雜的立方體元素，工程師注意到HSS部件在殘留粉末方面是最干凈的。事實(shí)上，在晶格幾何形狀的空腔中找不到任何松散的粉末，因此不需要額外的后處理。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

接下來(lái)，工程師組裝了SLS立方體。這一次，由于里面存在過(guò)多的粉末，工程師在六個(gè)夾入面面臨更多困難。然而，由于SLS提供的更光滑的表面紋理，滑入式角塊更容易組裝而沒(méi)有太多的摩擦。

查看3D打印的特征，球窩接頭不起作用，鉸鏈不起作用，但彈簧工作正常。同樣，齒輪系統(tǒng)的表面對(duì)表面粘合過(guò)多，根本無(wú)法移動(dòng)，但較大的立方體組件盡可能光滑?？偟膩?lái)說(shuō)，工程師對(duì)更寬的SLS組件的流動(dòng)性印象深刻，因?yàn)樗钊菀仔D(zhuǎn)。

由于晶格結(jié)構(gòu)中存在少量殘余尼龍粉末，工程師不得不對(duì)SLS構(gòu)建進(jìn)行一些小的額外后處理。這涉及在組裝之前吹出空腔并手動(dòng)搖出立方體元素。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

最后，工程師組裝了MJF立方體。就像HSS打印的一樣，前六個(gè)面很容易被夾住，但相對(duì)粗糙的表面紋理意味著滑入角件有一些費(fèi)力。

有趣的是，這個(gè)立方體上的3D打印功能提供了三者中最好的功能。MJF組件是唯一具有工作球窩接頭的組件，它有最平穩(wěn)的鉸鏈運(yùn)動(dòng)，并且彈簧按預(yù)期反彈。然而，由于MJF表面的顆粒狀紋理和粘合，齒輪系統(tǒng)未能再次移動(dòng)。其旋轉(zhuǎn)的特性與HSS零件相似。

與SLS立方體非常相似，工程師在單個(gè)元素中發(fā)現(xiàn)了少量殘留粉末。同樣，工程師必須在組裝MJF零件之前去除一些粉末，特別是通過(guò)吹出空腔并手動(dòng)搖出立方體。

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

綜上所述，工程師可以看到HSS和MJF 3D打印立方體的顆粒明顯比SLS大，導(dǎo)致表面紋理更粗糙。對(duì)MJF立方體，工程師還可以看到層紋，這意味著HSS和SLS打印提供了最佳的整體表面質(zhì)量。

如果工程師比較三種技術(shù)之間的相同立方體，工程師會(huì)注意到HSS提供了最佳細(xì)節(jié)分辨率，提供最精細(xì)的邊緣、最銳利的角和最干凈的薄壁。SLS零件開(kāi)始變得有點(diǎn)模糊，有些失去了清晰度。最后，MJF零件在視覺(jué)上最生硬。

對(duì)技術(shù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試：工業(yè)零件

為了補(bǔ)充審查，服務(wù)提供商還向工程師發(fā)送了四種不同的工業(yè)零件設(shè)計(jì)，用PA12 3D打印。每個(gè)模型都進(jìn)行了3次3D打印：分別通過(guò)HSS、SLS和MJF。以下零件包括油管元件、懸掛原型、支架和具有多組孔和塔的通用基準(zhǔn)模型。就像立方體一樣，這些3D打印部件使工程師能夠定性地評(píng)估三種工藝的性能。

頂部-HSS，中間-SLS，底部-MJF：

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

圖片來(lái)自：3D Printing Industry

查看管道元件、支架和懸掛原型，工程師再次看到SLS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)最光滑的表面。同樣，MJF零件是唯一具有肉眼可見(jiàn)層紋的零件。

從3D打印的基準(zhǔn)模型中，工程師可以看到HSS零件具有最精細(xì)的幾何凹槽和最清晰的字跡——這證明了該過(guò)程的準(zhǔn)確性，表明在細(xì)節(jié)分辨率方面，粉末顆粒尺寸確實(shí)比dpi更重要。SLS是唯一成功制造所有尖塔的工藝。

有趣的是，MJF和SLS構(gòu)件上圓孔具有最高的保形度，而HSS工藝產(chǎn)生的孔更接近于橢圓。HSS再次提供了最好的邊緣和最銳利的角，而SLS和MJF明顯更鈍。

HSS vs MJF vs SLS：零件制造成本和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

制造商在日常運(yùn)營(yíng)中實(shí)際使用這些聚合物3D打印技術(shù)的成本是多少？為了回答這個(gè)問(wèn)題，工程師尋找了幾家3D打印服務(wù)提供商。

為了比較HSS、MJF和SLS的價(jià)格，工程師要求提供四種不同3D打印部件的即時(shí)報(bào)價(jià)。工程師選擇PA12作為材料并對(duì)報(bào)價(jià)進(jìn)行平均，以提供每種工藝的綜合定價(jià)情況。

HSS 工藝被證明最具成本效益，平均零件價(jià)格為15.82歐元。MJF緊隨其后，平均零件成本為23.89歐元（+51.0%），而SLS被證明是成本效益最低的，平均成本為27.50歐元（+73.8%）。

由于技術(shù)的相似性，HSS和MJF在考慮初始成本時(shí)實(shí)際上定價(jià)相似，但有幾個(gè)因素最終使HSS更具成本效益。首先，voxeljet  VX 1000 HSS允許打印更大批量的零件，從而降低了批量生產(chǎn)中每個(gè)零件的成本。HSS也僅使用一種墨水，而MJF則依賴(lài)兩種，這種材料消耗的差異進(jìn)一步影響了成本。

就應(yīng)用而言，HSS和MJF都為汽車(chē)和消費(fèi)品等行業(yè)的功能原型設(shè)計(jì)和低應(yīng)力最終用途生產(chǎn)提供了一條可行的途徑。用例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、接線(xiàn)夾、制造指南和管道。

另一方面，SLS雖然價(jià)格更高，但適用于更高強(qiáng)度的零件，并且是三種能夠加工PEEK等高性能工程聚合物的唯一一種。不過(guò)，3D打印技術(shù)參考曾分析過(guò)，如PEEK這樣的高溫聚合物需要專(zhuān)用的SLS 3D打印機(jī)才能夠燒結(jié)。高強(qiáng)度最終用途組件市場(chǎng)愿意支付更高費(fèi)用，以獲得所需的機(jī)械性能。

END

通過(guò)對(duì)三種工藝的綜合對(duì)比，應(yīng)該選擇哪種聚合物3D打印技術(shù)呢？答案當(dāng)然是視情況而定。

HSS和MJF噴墨技術(shù)在零件強(qiáng)度方面不如SLS，但如果預(yù)算有限，并且相關(guān)組件不會(huì)承受極端負(fù)載，那么HSS可能更適合。工程師的測(cè)試還表明，HSS適用于高剛度零件，而MJF提供更大的延展性和彈性，即使使用相同的材料也是如此。因此，當(dāng)需要零件在受力或非均勻溫度下變形最小時(shí)，最好使用HSS，而在需要彎曲和柔韌性的情況下應(yīng)使用MJF。

在尺寸精度方面，基于激光的SLS工藝最佳，但HSS表現(xiàn)出最大的可重復(fù)性。同樣，這將取決于最終應(yīng)用。但對(duì)于許多系列生產(chǎn)應(yīng)用，可重復(fù)性對(duì)于確保產(chǎn)品可靠性和滿(mǎn)足某些最終質(zhì)量目標(biāo)至關(guān)重要。

最終，工程師建議在選擇任何一種3D打印技術(shù)之前，對(duì)特定零件和應(yīng)用的成本、交貨時(shí)間、材料選擇和機(jī)械性能要求進(jìn)行全面評(píng)估。

注：本文內(nèi)容來(lái)自3D Printing Industry，3D打印技術(shù)參考編譯