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导读：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%）。
HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度
接下来，我们想比较一下每种3D打印技术的尺寸精度。为了做到这一点，我们对四个不同的零件几何形状进行了计量扫描，每个零件都被3D打印并扫描了三次（通过HSS、MJF和SLS扫描一次）。我们将零件的这12次扫描与原始STL文件进行了比较，这使我们能够计算出打印件在其表面各点上的偏差和不准确性。使用的三维扫描仪是GOM ATOS II 400，它的精度为±30μm。
△计量测试结果。图片由3D打印工业提供
从计量数据来看，四个SLS打印的零件总体上是最精确的，因为它们的尺寸最接近STL模型的预期尺寸，平均偏移量只有0.0084毫米。HSS的平均不精确性为0.0527毫米，而MJF则进一步落后于0.0603毫米。
然而，仅仅是平均值并不能说明全部问题。看一下尺寸误差的标准偏差值，SLS实际上有最高的分布，为0.1232毫米。其次是MJF，为0.1074mm，而HSS的扫描误差差值最小，仅为0.0925mm。因此，虽然SLS打印的零件的尺寸平均来说会更真实，但实际上是HSS工艺提供了最大的一致性和可重复性。
为了说明这一点，我们将仔细看看四个几何形状中的一个（支撑架），如上图所示。钟形曲线上的界限定义了99.6%的点所处的区域。例如，通过SLS3D打印的99.6%的尺寸都在-0.366毫米和0.388毫米的预期值之内。对于MJF，这些数字是-0.402mm和0.154mm。最后，对于HSS，99.6%的打印尺寸在-0.313毫米和0.155毫米的范围内。
值得注意的是，绝大多数HSS和MJF零件的尺寸都比它们的预期值小，而不是大。这可以归因于这些3D打印方法所固有的加热步骤，即使用红外灯对聚合物部件进行烧结和熔化，以提高密度和强度。不幸的是，这也有缩减零件的效果，因此在打印准备期间，最好是按比例缩小构建的尺寸，以抵消这种影响。
技术基准：显示细节分辨率的立体方块
为了进一步评估这三种工艺的打印能力，我们评估了几个物理3D打印基准测试。这些测试中的第一个是一套用PA12材料打印的三个方块。该设计包括几个较小的立方体，每个立方体都有一个独特的3D打印特征，如网格的几何形状或移动齿轮系统。
立方体是一个动态的打印测试，有大量的移动部件，这意味着它提供了一个很好的方法来确定三种技术之间的表面质量差异。在这种情况下，我们观察了每个立方体的组装过程是否容易，立方体运动的整体流畅性，以及三种技术之间的细节分辨率。
△3D打印的方块--MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）。照片由3D打印行业提供。
当组装HSS酷刑方块的时候，前六个面根本不需要太多力量就可以卡住。角落部分需要滑动，而不是夹住，由于摩擦力的原因，要把角落卡住就比较困难，其中一些角落需要使用螺丝刀。
至于3D打印的功能，HSS立方体的球窝接头根本无法工作，铰链可以工作，但很僵硬，而弹簧则完全按预期工作。此外，我们遇到了太多的摩擦，齿轮系统根本无法移动，而较大的立方体本身确实在旋转，尽管有一些阻力。
仔细观察一些更复杂的立方体单元，我们注意到HSS部件在残留粉末方面是最干净的。事实上，我们在晶格几何形状的空腔中找不到任何松散的粉末，所以没有必要进行额外的后处理。
接下来，我们组装了SLS立方体。这一次，由于接头处存在多余的粉末，我们在处理六个夹入面时遇到了更多的困难。然而，由于SLS提供了更平滑的表面纹理，滑入式的角立方体更容易组装，没有那么多的摩擦。
看一下3D打印的特征，球窝接头不工作，铰链不工作，但弹簧工作得很好。同样，有太多的表面与表面之间的结合，齿轮系统根本无法移动，但较大的立方体的组装却非常顺利。总的来说，我们对较宽的SLS组件的流畅性印象非常深刻，因为它是最容易旋转的。
由于晶格结构中存在少量残留的尼龙粉末，我们不得不对SLS构建进行一些小的额外的后期处理。这包括在组装前吹出空腔和手动摇出立方体单元。
最后，我们组装了MJF立方体。与HSS打印的一样，前六个面可以很容易地夹住，但相对粗糙的表面纹理意味着滑入角落的部分需要一些重要的手工操作。
有趣的是，这个立方体上的3D打印特征提供了三个立方体中最好的功能。MJF组件是唯一一个有工作的球窝接头的组件，它有最平滑的铰链运动，并且弹簧如期反弹。然而，由于MJF表面的颗粒状纹理和非故意的粘合，齿轮系统未能再次移动。旋转的难易程度与HSS构建的相似。
与SLS立方体一样，我们在单个元件中发现了小量的残留粉末。同样，我们不得不在组装MJF之前进行一些额外的去粉，特别是通过吹出空腔和手动摇出立方体。
当所有的事情都完成后，我们可以看到HSS和MJF的3D打印立方体明显比SLS的立方体更有颗粒感，导致表面纹理更粗糙。对于MJF制造的立方体，我们还可以看到层线，这意味着HSS和SLS打印的立方体总体上提供了最好的表面质量。
如果我们在三种技术之间比较相同的立方体，我们注意到HSS提供了最好的细节分辨率，提供了最精细的边缘、最锋利的角落和最干净的薄壁。再往下看，SLS的同类产品开始变得有点模糊，在某种程度上失去了它们的锐利和清晰。最后，是MJF的变体在视觉上是最钝的。
技术基准：工业零件
为了进一步补充对比数据，服务供应商提供了四个用PA12材料3D打印不同的工业零件设计。每个模型都被3D打印了三次：一次是通过HSS、SLS和MJF。下面的零件包括一个管状元件、一个悬架原型、一个支撑架，以及一个具有成套孔和塔的一般基准模型。与酷刑方块一样，这些3D打印部件使我们能够定性地评估三种工艺的性能。
△顶部-HSS，中间-SLS，底部-MJF。
看一下管状元件、支撑架和悬挂原型，我们再次看到SLS工艺能够实现最光滑的表面。同样，MJF零件是唯一有肉眼可见的层线的零件，而voxeljet的HSS 3D打印机则位于中间某处。
从3D打印的基准模型中，我们可以看到，HSS变体无疑具有最精细的几何槽和最清晰的文字--这证明了工艺的准确性，表明在细节分辨率方面，晶粒大小确实比dpi更重要。然而，SLS零件是唯一一个成功制造出所有塔层的零件，而HSS和MJF则缺少最薄的尖顶。
有趣的是，MJF和SLS构建的孔被打印成真正的圆形（它们应该是这样的），而HSS工艺产生的孔则更接近于椭圆。然而，HSS也再次提供了最细的边缘和最尖锐的角落，而SLS和MJF则明显地更钝。
价格和应用
制造商在其日常运作中实际采用这些聚合物3D打印技术的成本是多少？为了回答这个问题，我们将目光投向了几个3D打印服务提供商。
为了比较HSS、MJF和SLS的价格，我们要求对四个不同的3D打印部件进行即时报价。我们选择了尼龙（PA12）作为材料，并对报价进行了平均，以提供每种工艺的综合定价情况。
有趣的是，HSS3D打印被证明是最具成本效益的，平均零件价格为15.82欧元。MJF紧随其后，平均零件成本为23.89欧元（+51.0%），而SLS被证明是成本效益最低的，平均成本为27.50欧元（+73.8%）。
由于技术的相似性，在考虑初始成本时，HSS和MJF的价格实际上是相似的，但有几个因素最终使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允许打印更大批次的零件，从而降低了系列生产中每个零件的成本。HSS还只使用一种吸收液，而MJF则依赖两种液体。这种材料消耗上的差异进一步影响了运行成本。
就应用而言，HSS和MJF都为汽车和消费品等行业的功能原型设计和低应力终端生产提供了可行的途径。使用案例包括电子外壳、连接器、支架、盖子、线夹、制造指南和管道。
另一方面，SLS虽然价格较高，但适合生产强度较高的零件，而且是三种工艺中唯一能够加工高性能工程聚合物（如PEEK）的工艺。因此，那些需要高强度的最终使用部件的人需要支付一定的费用，以确保他们获得工作所需的机械性能。
结论
那么，在聚合物3D打印技术中，你应该选择哪一种？像生活中的许多事情一样，答案是：视情况而定。
1. 像HSS和MJF这样的喷墨技术在涉及到零件强度时是不会击败SLS的，但是如果你的预算有限，而且有关的零件不会受到极端的负载，HSS可能就适合你了。 2. 有趣的是，我们的测试还表明，HSS适合于高刚度的零件，而MJF则提供更大的延展性和弹性，即使使用相同的材料。因此，当零件的挠度需要最小化时，HSS可能是最好的选择，而MJF应该在需要弯曲和弹性的情况下使用。 3. 当涉及到尺寸精度时，基于激光的SLS 3D打印胜过基于喷墨的两种工艺，但HSS表现出最大的可重复性。同样，这将取决于使用情况，但对于许多系列生产应用，可重复性对于确保产品的可靠性和满足某些最终质量目标至关重要。
最终，我们建议在选择任何一种3D打印技术之前，对成本、交货时间、材料选择和特定部件和应用的机械性能要求进行全面评估。
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