详细对比几种工业聚合物3D打印技术：VOXELJET HSS、HP MJF 和 SLS - 广州国际3D打印展

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如今的聚合物3D打印市场正在迅速增长，据有关报告显示，整个2021年聚合物粉末消费增长了43.3%，超过了光敏树脂，成为使用最多的3D打印材料。因此，工业3D打印机原始设备制造商之间的竞争比以往任何时候都要激烈，高速烧结（HSS）、多射流融合喷射（MJF）和选择性激光烧结（SLS）等技术让制造企业有了充分的选择。

HSS技术最初是由拉夫堡大学的NeilHopkinson和赢创公司的Sylvia Monsheimer在21世纪初同时发明的，是一种基于粉末的3D打印工艺，类似于粘合剂喷射，因其快速的打印速度和大型部件的生产能力而闻名。自2016年该技术获得商业化许可以来，voxeljet已经开发了自己的HSS版本，并在2017年推出了其第一台HSS3D打印机。此后，该公司以VX200 HSS和VX1000HSS等几款由HSS驱动的3D打印机充实了其产品系列。同样，MJF也是粘合剂喷射器旗帜下的一项技术。惠普公司为功能原型和终端生产提供工程级的聚合物部件，在汽车和消费品等行业都有应用。与HSS和MJF（基于喷墨的工艺）不同，SLS是一种激光粉末床熔合的形式。该方法利用高功率激光束和扫描系统，在聚合物粉末床中3D打印零件。由于所有工艺都具有类似的特性和表面处理，这些聚合物打印技术被视为竞争对手的情况并不少见。在本篇概述中，我们将介绍这三种技术的来龙去脉，看看它们之间有什么不同。

△voxeljetVX1000 HSS。图片来自voxeljet。

喷墨打印之争：HSS与MJF

那么，HSS是如何工作的？它首先将一层薄薄的聚合物粉末涂在一个加热的构建平台上。然后，喷墨打印头在平台上移动，将红外反应墨水喷射到粉末床的选定区域。一旦暴露在红外光下，注入墨水的粉末就会吸收热量，烧结并融合成一个固体层，留下未打印的区域作为散粉。然后，构建平台被降低，新的粉末层被沉积，这个过程逐层重复，直到3D零件被打印出来。

MJF在许多方面与HSS相似。与HSS工艺非常相似，MJF涉及将一种吸收辐射的液体（又称熔融剂）喷射到聚合物粉末床的某些区域。其他区域的边界，即不被打印的区域，用一种称为细化剂的辅助液体进行冷却。一旦喷射完成，就用一个红外灯来辐射整个构建区域，使沾有结合剂的部分融合。用细化剂喷射的边界则保持不融合。除了voxeljet的VX1000打印机的巨大尺寸之外，这两种技术的主要区别在于使用的液体数量。HSS不需要第二种冷却剂，因为voxeljet的3D打印机可以独立控制结合和未结合的粉末材料的温度。他们通过使用两种不同波长的红外发射器来做到这一点，这意味着不需要细化剂来实现精确的边缘定义。

由于其细化剂，MJF拥有1200dpi的分辨率，而HSS只有360dpi。但决定零件分辨率的关键因素仍然是粉末的粒度，所以在这种情况下，更高的喷头分辨率并不一定意味着更精确的零件。事实上，由于HSS的液滴比单个聚合物晶粒（通常约55微米宽）略大，它们能够完全覆盖晶粒之间的交叉点，这对于烧结的发生至关重要。

△HSS和MJF的分辨率比较。图片来自voxeljet

从一些关键技术规格来看，MJF系统的最大构建体积为380 x 294 x 380毫米，而voxeljet VX1000 HSS的特点是1000 x 540 x 180毫米（用于PA12）。在打印速度方面，VX1000 HSS也有自己的优势，其速度为7300cm3/h。另一方面，生产力最高的MJF 3D打印机的打印速度为5058cm3/h。这两种工艺的另一个主要区别是HSS对3D打印的开源方法。Voxeljet的客户能够自由访问他们机器的所有工艺参数，毫无障碍地将他们的构建适应自己的材料。由于用户直接与材料供应商谈判自己的粉末价格，这可以大大节省成本。兼容的聚合物清单很长，包括PA12、TPU和PP，这些都是商业化的或即将上市的。此外，成功的概念验证包括PA613、PEBA和EVA。相比之下，MJF 3D打印机能够加工PA12、PA11和PP。这两种技术都允许对未打印的粉末材料进行回收和再加工。

△MJF3D打印机的构建室。照片来自Protolabs。

将SLS 3D打印添加到组合中

为了全面起见，我们还将在这次对比中提及SLS 3D打印。SLS三维打印机是这样工作的：激光器最初将零件的第一层的二维截面扫描到粉末床上，这并不完全是融化粉末，而是将其打碎，使其融合成一个固体层。一旦第一层完成，构建平台向下移动，促使再涂层机在现有的粉末床上铺上一层薄而均匀的材料。这种打印和重涂的循环一直重复到整个构建完成。最大的SLS系统可以打印一米范围内的零件，Z高度的打印速度约为48毫米/小时（取决于盒子的利用率）。粉末床熔融生态系统是3D打印行业中最先进的系统之一，这意味着今天的工业级SLS系统可以兼容所有形式的聚合物粉末。这包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK，以及更多。

△EOS工业聚合物3D打印机的构建室。照片来自EOS。

HSS vs MJF vs SLS：机械性能

为了评估每种3D打印技术的机械性能，我们看了一些由一系列供应商提供给我们的拉伸测试数据。这些数据涵盖了每种技术的总共15个拉伸测试狗骨样品（5个沿X轴打印，5个沿Y轴打印，5个沿Z轴打印），每个都是用PA12 3D打印，并根据ISO 527标准进行测试。首先，为了确定哪种聚合物打印技术能产生最强的零件，我们看一下平均极限拉伸强度（UTS）。这是一个部件在断裂之前所能承受的最大拉应力。在这一轮比赛中，是SLS打印的试样平均强度最高（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。这三种技术对应的最大断裂载荷分别为1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12数据表中，XY的UTS值为52（+/-1）MPa，Z的UTS值为46（+/-2）MPa。造成这种差异的原因是，材料数据表中给出的数据是指针对机械数据优化的工艺参数的打印。相比之下，为本研究打印的狗骨是用针对精度和细节优化的参数打印的。因此，客户可以选择以针对自己的应用进行优化的规格来打印零件，这与voxeljet提供的开源策略是一致的。

接下来是杨氏模量，它是衡量拉伸刚度的一个指标。杨氏模量越高，意味着部件越硬，在弹性负载下只发生轻微变形，而杨氏模量越低，相当于部件的弹性越大，在负载下越灵活。这一次，HSS产生了最坚硬的部件（1.82GPa），其次是SLS（1.73GPa）和MJF（1.43GPa）。

最后，我们有断裂伸长率，这是一种延展性的测量。该测量显示了一个零件在断裂之前可以被拉伸多少，占其原始长度的百分比。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的零件延展性最好（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF产生了最多的延展性部件（14.40%），其次是SLS（9.32%），和HSS（6.36%）。

文章来源：今日头条

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