詳細(xì)對(duì)比幾種工業(yè)聚合物3D打印技術(shù)：VOXELJET HSS、HP MJF 和 SLS

導(dǎo)讀：如今的聚合物3D打印市場正在迅速增長，據(jù)有關(guān)報(bào)告顯示，整個(gè)2021年聚合物粉末消費(fèi)增長了43.3%，超過了光敏樹脂，成為使用最多的3D打印材料。因此，工業(yè)3D打印機(jī)原始設(shè)備制造商之間的競爭比以往任何時(shí)候都要激烈，高速燒結(jié)（HSS）、多射流融合噴射（MJF）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等技術(shù)讓制造企業(yè)有了充分的選擇。

HSS技術(shù)最初是由拉夫堡大學(xué)的NeilHopkinson和贏創(chuàng)公司的Sylvia Monsheimer在21世紀(jì)初同時(shí)發(fā)明的，是一種基于粉末的3D打印工藝，類似于粘合劑噴射，因其快速的打印速度和大型部件的生產(chǎn)能力而聞名。自2016年該技術(shù)獲得商業(yè)化許可以來，voxeljet已經(jīng)開發(fā)了自己的HSS版本，并在2017年推出了其第一臺(tái)HSS3D打印機(jī)。此后，該公司以VX200 HSS和VX1000HSS等幾款由HSS驅(qū)動(dòng)的3D打印機(jī)充實(shí)了其產(chǎn)品系列。

同樣，MJF也是粘合劑噴射器旗幟下的一項(xiàng)技術(shù)�；萜展�司為功能原型和終端生產(chǎn)提供工程級(jí)的聚合物部件，在汽車和消費(fèi)品等行業(yè)都有應(yīng)用。

與HSS和MJF（基于噴墨的工藝）不同，SLS是一種激光粉末床熔合的形式。該方法利用高功率激光束和掃描系統(tǒng)，在聚合物粉末床中3D打印零件。

由于所有工藝都具有類似的特性和表面處理，這些聚合物打印技術(shù)被視為競爭對(duì)手的情況并不少見。在本篇概述中，我們將介紹這三種技術(shù)的來龍去脈，看看它們之間有什么不同。

△voxeljetVX1000 HSS。圖片來自voxeljet。

噴墨打印之爭：HSS與MJF

那么，HSS是如何工作的？它首先將一層薄薄的聚合物粉末涂在一個(gè)加熱的構(gòu)建平臺(tái)上。然后，噴墨打印頭在平臺(tái)上移動(dòng)，將紅外反應(yīng)墨水噴射到粉末床的選定區(qū)域。一旦暴露在紅外光下，注入墨水的粉末就會(huì)吸收熱量，燒結(jié)并融合成一個(gè)固體層，留下未打印的區(qū)域作為散粉。然后，構(gòu)建平臺(tái)被降低，新的粉末層被沉積，這個(gè)過程逐層重復(fù)，直到3D零件被打印出來。

MJF在許多方面與HSS相似。與HSS工藝非常相似，MJF涉及將一種吸收輻射的液體（又稱熔融劑）噴射到聚合物粉末床的某些區(qū)域。其他區(qū)域的邊界，即不被打印的區(qū)域，用一種稱為細(xì)化劑的輔助液體進(jìn)行冷卻。一旦噴射完成，就用一個(gè)紅外燈來輻射整個(gè)構(gòu)建區(qū)域，使沾有結(jié)合劑的部分融合。用細(xì)化劑噴射的邊界則保持不融合。

除了voxeljet的VX1000打印機(jī)的巨大尺寸之外，這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于使用的液體數(shù)量。HSS不需要第二種冷卻劑，因?yàn)関oxeljet的3D打印機(jī)可以獨(dú)立控制結(jié)合和未結(jié)合的粉末材料的溫度。他們通過使用兩種不同波長的紅外發(fā)射器來做到這一點(diǎn)，這意味著不需要細(xì)化劑來實(shí)現(xiàn)精確的邊緣定義。

由于其細(xì)化劑，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS只有360dpi。但決定零件分辨率的關(guān)鍵因素仍然是粉末的粒度，所以在這種情況下，更高的噴頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實(shí)上，由于HSS的液滴比單個(gè)聚合物晶粒（通常約55微米寬）略大，它們能夠完全覆蓋晶粒之間的交叉點(diǎn)，這對(duì)于燒結(jié)的發(fā)生至關(guān)重要。

△HSS和MJF的分辨率比較。圖片來自voxeljet

從一些關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格來看，MJF系統(tǒng)的最大構(gòu)建體積為380 x 294 x 380毫米，而voxeljet VX1000 HSS的特點(diǎn)是1000 x 540 x 180毫米（用于PA12）。在打印速度方面，VX1000 HSS也有自己的優(yōu)勢，其速度為7300cm3/h。另一方面，生產(chǎn)力最高的MJF 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對(duì)3D打印的開源方法。Voxeljet的客戶能夠自由訪問他們機(jī)器的所有工藝參數(shù)，毫無障礙地將他們的構(gòu)建適應(yīng)自己的材料。由于用戶直接與材料供應(yīng)商談判自己的粉末價(jià)格，這可以大大節(jié)省成本。兼容的聚合物清單很長，包括PA12、TPU和PP，這些都是商業(yè)化的或即將上市的。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)能夠加工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。照片來自Protolabs。

將SLS 3D打印添加到組合中

為了全面起見，我們還將在這次對(duì)比中提及SLS 3D打印。SLS三維打印機(jī)是這樣工作的：激光器最初將零件的第一層的二維截面掃描到粉末床上，這并不完全是融化粉末，而是將其打碎，使其融合成一個(gè)固體層。一旦第一層完成，構(gòu)建平臺(tái)向下移動(dòng)，促使再涂層機(jī)在現(xiàn)有的粉末床上鋪上一層薄而均勻的材料。這種打印和重涂的循環(huán)一直重復(fù)到整個(gè)構(gòu)建完成。

最大的SLS系統(tǒng)可以打印一米范圍內(nèi)的零件，Z高度的打印速度約為48毫米/小時(shí)（取決于盒子的利用率）。

粉末床熔融生態(tài)系統(tǒng)是3D打印行業(yè)中最先進(jìn)的系統(tǒng)之一，這意味著今天的工業(yè)級(jí)SLS系統(tǒng)可以兼容所有形式的聚合物粉末。這包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK，以及更多。

△EOS工業(yè)聚合物3D打印機(jī)的構(gòu)建室。照片來自EOS。

HSS vs MJF vs SLS：機(jī)械性能

為了評(píng)估每種3D打印技術(shù)的機(jī)械性能，我們看了一些由一系列供應(yīng)商提供給我們的拉伸測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了每種技術(shù)的總共15個(gè)拉伸測試狗骨樣品（5個(gè)沿X軸打印，5個(gè)沿Y軸打印，5個(gè)沿Z軸打印），每個(gè)都是用PA12 3D打印，并根據(jù)ISO 527標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

首先，為了確定哪種聚合物打印技術(shù)能產(chǎn)生最強(qiáng)的零件，我們看一下平均極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。這是一個(gè)部件在斷裂之前所能承受的最大拉應(yīng)力。在這一輪比賽中，是SLS打印的試樣平均強(qiáng)度最高（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。這三種技術(shù)對(duì)應(yīng)的最大斷裂載荷分別為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（+/-1）MPa，Z的UTS值為46（+/-2）MPa。造成這種差異的原因是，材料數(shù)據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)是指針對(duì)機(jī)械數(shù)據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)的打印。相比之下，為本研究打印的狗骨是用針對(duì)精度和細(xì)節(jié)優(yōu)化的參數(shù)打印的。因此，客戶可以選擇以針對(duì)自己的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的規(guī)格來打印零件，這與voxeljet提供的開源策略是一致的。

接下來是楊氏模量，它是衡量拉伸剛度的一個(gè)指標(biāo)。楊氏模量越高，意味著部件越硬，在彈性負(fù)載下只發(fā)生輕微變形，而楊氏模量越低，相當(dāng)于部件的彈性越大，在負(fù)載下越靈活。這一次，HSS產(chǎn)生了最堅(jiān)硬的部件（1.82GPa），其次是SLS（1.73GPa）和MJF（1.43GPa）。

最后，我們有斷裂伸長率，這是一種延展性的測量。該測量顯示了一個(gè)零件在斷裂之前可以被拉伸多少，占其原始長度的百分比。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產(chǎn)生了最多的延展性部件（14.40%），其次是SLS（9.32%），和HSS（6.36%）。

HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度

接下來，我們想比較一下每種3D打印技術(shù)的尺寸精度。為了做到這一點(diǎn)，我們對(duì)四個(gè)不同的零件幾何形狀進(jìn)行了計(jì)量掃描，每個(gè)零件都被3D打印并掃描了三次（通過HSS、MJF和SLS掃描一次）。我們將零件的這12次掃描與原始STL文件進(jìn)行了比較，這使我們能夠計(jì)算出打印件在其表面各點(diǎn)上的偏差和不準(zhǔn)確性。使用的三維掃描儀是GOM ATOS II 400，它的精度為±30μm。

△計(jì)量測試結(jié)果。圖片由3D打印工業(yè)提供

從計(jì)量數(shù)據(jù)來看，四個(gè)SLS打印的零件總體上是最精確的，因?yàn)樗鼈兊某叽缱罱咏黃TL模型的預(yù)期尺寸，平均偏移量只有0.0084毫米。HSS的平均不精確性為0.0527毫米，而MJF則進(jìn)一步落后于0.0603毫米。

然而，僅僅是平均值并不能說明全部問題�？匆幌鲁叽缯`差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，SLS實(shí)際上有最高的分布，為0.1232毫米。其次是MJF，為0.1074mm，而HSS的掃描誤差差值最小，僅為0.0925mm。因此，雖然SLS打印的零件的尺寸平均來說會(huì)更真實(shí)，但實(shí)際上是HSS工藝提供了最大的一致性和可重復(fù)性。

為了說明這一點(diǎn)，我們將仔細(xì)看看四個(gè)幾何形狀中的一個(gè)（支撐架），如上圖所示。鐘形曲線上的界限定義了99.6%的點(diǎn)所處的區(qū)域。例如，通過SLS3D打印的99.6%的尺寸都在-0.366毫米和0.388毫米的預(yù)期值之內(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-0.313毫米和0.155毫米的范圍內(nèi)。

值得注意的是，絕大多數(shù)HSS和MJF零件的尺寸都比它們的預(yù)期值小，而不是大。這可以歸因于這些3D打印方法所固有的加熱步驟，即使用紅外燈對(duì)聚合物部件進(jìn)行燒結(jié)和熔化，以提高密度和強(qiáng)度。不幸的是，這也有縮減零件的效果，因此在打印準(zhǔn)備期間，最好是按比例縮小構(gòu)建的尺寸，以抵消這種影響。

技術(shù)基準(zhǔn)：顯示細(xì)節(jié)分辨率的立體方塊

為了進(jìn)一步評(píng)估這三種工藝的打印能力，我們評(píng)估了幾個(gè)物理3D打印基準(zhǔn)測試。這些測試中的第一個(gè)是一套用PA12材料打印的三個(gè)方塊。該設(shè)計(jì)包括幾個(gè)較小的立方體，每個(gè)立方體都有一個(gè)獨(dú)特的3D打印特征，如網(wǎng)格的幾何形狀或移動(dòng)齒輪系統(tǒng)。

立方體是一個(gè)動(dòng)態(tài)的打印測試，有大量的移動(dòng)部件，這意味著它提供了一個(gè)很好的方法來確定三種技術(shù)之間的表面質(zhì)量差異。在這種情況下，我們觀察了每個(gè)立方體的組裝過程是否容易，立方體運(yùn)動(dòng)的整體流暢性，以及三種技術(shù)之間的細(xì)節(jié)分辨率。

△3D打印的方塊--MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）。照片由3D打印行業(yè)提供。

當(dāng)組裝HSS酷刑方塊的時(shí)候，前六個(gè)面根本不需要太多力量就可以卡住。角落部分需要滑動(dòng)，而不是夾住，由于摩擦力的原因，要把角落卡住就比較困難，其中一些角落需要使用螺絲刀。

至于3D打印的功能，HSS立方體的球窩接頭根本無法工作，鉸鏈可以工作，但很僵硬，而彈簧則完全按預(yù)期工作。此外，我們遇到了太多的摩擦，齒輪系統(tǒng)根本無法移動(dòng)，而較大的立方體本身確實(shí)在旋轉(zhuǎn)，盡管有一些阻力。

仔細(xì)觀察一些更復(fù)雜的立方體單元，我們注意到HSS部件在殘留粉末方面是最干凈的。事實(shí)上，我們在晶格幾何形狀的空腔中找不到任何松散的粉末，所以沒有必要進(jìn)行額外的后處理。

接下來，我們組裝了SLS立方體。這一次，由于接頭處存在多余的粉末，我們在處理六個(gè)夾入面時(shí)遇到了更多的困難。然而，由于SLS提供了更平滑的表面紋理，滑入式的角立方體更容易組裝，沒有那么多的摩擦。

看一下3D打印的特征，球窩接頭不工作，鉸鏈不工作，但彈簧工作得很好。同樣，有太多的表面與表面之間的結(jié)合，齒輪系統(tǒng)根本無法移動(dòng)，但較大的立方體的組裝卻非常順利�？偟膩碚f，我們對(duì)較寬的SLS組件的流暢性印象非常深刻，因?yàn)樗�是最容易旋轉(zhuǎn)的。

由于晶格結(jié)構(gòu)中存在少量殘留的尼龍粉末，我們不得不對(duì)SLS構(gòu)建進(jìn)行一些小的額外的后期處理。這包括在組裝前吹出空腔和手動(dòng)搖出立方體單元。

最后，我們組裝了MJF立方體。與HSS打印的一樣，前六個(gè)面可以很容易地夾住，但相對(duì)粗糙的表面紋理意味著滑入角落的部分需要一些重要的手工操作。

有趣的是，這個(gè)立方體上的3D打印特征提供了三個(gè)立方體中最好的功能。MJF組件是唯一一個(gè)有工作的球窩接頭的組件，它有最平滑的鉸鏈運(yùn)動(dòng)，并且彈簧如期反彈。然而，由于MJF表面的顆粒狀紋理和非故意的粘合，齒輪系統(tǒng)未能再次移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)的難易程度與HSS構(gòu)建的相似。

與SLS立方體一樣，我們在單個(gè)元件中發(fā)現(xiàn)了小量的殘留粉末。同樣，我們不得不在組裝MJF之前進(jìn)行一些額外的去粉，特別是通過吹出空腔和手動(dòng)搖出立方體。

當(dāng)所有的事情都完成后，我們可以看到HSS和MJF的3D打印立方體明顯比SLS的立方體更有顆粒感，導(dǎo)致表面紋理更粗糙。對(duì)于MJF制造的立方體，我們還可以看到層線，這意味著HSS和SLS打印的立方體總體上提供了最好的表面質(zhì)量。

如果我們在三種技術(shù)之間比較相同的立方體，我們注意到HSS提供了最好的細(xì)節(jié)分辨率，提供了最精細(xì)的邊緣、最鋒利的角落和最干凈的薄壁。再往下看，SLS的同類產(chǎn)品開始變得有點(diǎn)模糊，在某種程度上失去了它們的銳利和清晰。最后，是MJF的變體在視覺上是最鈍的。

技術(shù)基準(zhǔn)：工業(yè)零件

為了進(jìn)一步補(bǔ)充對(duì)比數(shù)據(jù)，服務(wù)供應(yīng)商提供了四個(gè)用PA12材料3D打印不同的工業(yè)零件設(shè)計(jì)。每個(gè)模型都被3D打印了三次：一次是通過HSS、SLS和MJF。下面的零件包括一個(gè)管狀元件、一個(gè)懸架原型、一個(gè)支撐架，以及一個(gè)具有成套孔和塔的一般基準(zhǔn)模型。與酷刑方塊一樣，這些3D打印部件使我們能夠定性地評(píng)估三種工藝的性能。

△頂部-HSS，中間-SLS，底部-MJF。

看一下管狀元件、支撐架和懸掛原型，我們再次看到SLS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)最光滑的表面。同樣，MJF零件是唯一有肉眼可見的層線的零件，而voxeljet的HSS 3D打印機(jī)則位于中間某處。

從3D打印的基準(zhǔn)模型中，我們可以看到，HSS變體無疑具有最精細(xì)的幾何槽和最清晰的文字--這證明了工藝的準(zhǔn)確性，表明在細(xì)節(jié)分辨率方面，晶粒大小確實(shí)比dpi更重要。然而，SLS零件是唯一一個(gè)成功制造出所有塔層的零件，而HSS和MJF則缺少最薄的尖頂。

有趣的是，MJF和SLS構(gòu)建的孔被打印成真正的圓形（它們應(yīng)該是這樣的），而HSS工藝產(chǎn)生的孔則更接近于橢圓。然而，HSS也再次提供了最細(xì)的邊緣和最尖銳的角落，而SLS和MJF則明顯地更鈍。

價(jià)格和應(yīng)用

制造商在其日常運(yùn)作中實(shí)際采用這些聚合物3D打印技術(shù)的成本是多少？為了回答這個(gè)問題，我們將目光投向了幾個(gè)3D打印服務(wù)提供商。

為了比較HSS、MJF和SLS的價(jià)格，我們要求對(duì)四個(gè)不同的3D打印部件進(jìn)行即時(shí)報(bào)價(jià)。我們選擇了尼龍（PA12）作為材料，并對(duì)報(bào)價(jià)進(jìn)行了平均，以提供每種工藝的綜合定價(jià)情況。

有趣的是，HSS3D打印被證明是最具成本效益的，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，在考慮初始成本時(shí)，HSS和MJF的價(jià)格實(shí)際上是相似的，但有幾個(gè)因素最終使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允許打印更大批次的零件，從而降低了系列生產(chǎn)中每個(gè)零件的成本。HSS還只使用一種吸收液，而MJF則依賴兩種液體。這種材料消耗上的差異進(jìn)一步影響了運(yùn)行成本。

就應(yīng)用而言，HSS和MJF都為汽車和消費(fèi)品等行業(yè)的功能原型設(shè)計(jì)和低應(yīng)力終端生產(chǎn)提供了可行的途徑。使用案例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、線夾、制造指南和管道。

另一方面，SLS雖然價(jià)格較高，但適合生產(chǎn)強(qiáng)度較高的零件，而且是三種工藝中唯一能夠加工高性能工程聚合物（如PEEK）的工藝。因此，那些需要高強(qiáng)度的最終使用部件的人需要支付一定的費(fèi)用，以確保他們獲得工作所需的機(jī)械性能。

結(jié)論

那么，在聚合物3D打印技術(shù)中，你應(yīng)該選擇哪一種？像生活中的許多事情一樣，答案是：視情況而定。

1.      像HSS和MJF這樣的噴墨技術(shù)在涉及到零件強(qiáng)度時(shí)是不會(huì)擊敗SLS的，但是如果你的預(yù)算有限，而且有關(guān)的零件不會(huì)受到極端的負(fù)載，HSS可能就適合你了。

2.      有趣的是，我們的測試還表明，HSS適合于高剛度的零件，而MJF則提供更大的延展性和彈性，即使使用相同的材料。因此，當(dāng)零件的撓度需要最小化時(shí)，HSS可能是最好的選擇，而MJF應(yīng)該在需要彎曲和彈性的情況下使用。

3.      當(dāng)涉及到尺寸精度時(shí)，基于激光的SLS 3D打印勝過基于噴墨的兩種工藝，但HSS表現(xiàn)出最大的可重復(fù)性。同樣，這將取決于使用情況，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)品的可靠性和滿足某些最終質(zhì)量目標(biāo)至關(guān)重要。

最終，我們建議在選擇任何一種3D打印技術(shù)之前，對(duì)成本、交貨時(shí)間、材料選擇和特定部件和應(yīng)用的機(jī)械性能要求進(jìn)行全面評(píng)估。