3D打印行業(yè)可以被描述為一個小池塘，市值數(shù)十億美元的Stratasys和3D Systems就是這個池塘里的大魚。但池塘旁邊有一個滿是鯨魚的海洋，比如歐特克、空中客車、微軟、通用電氣等。幾年前，池塘和海洋之間的那堵墻被破壞掉了，隨之而來的鯨魚都想要稱霸這個“小池塘”（已經(jīng)不小了）。

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最近高調(diào)進(jìn)入3D打印水域的鯨魚是惠普，就是那個做噴墨、激光打印機(jī)的，還做電腦的惠普。

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圖1 3D打印格局發(fā)展趨勢

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一、惠普3D打印機(jī)成型原理

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惠普所用的3D打印技術(shù)為多射流熔融（Multijet Fusion），其成型步驟如下：

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1）鋪設(shè)成型粉末；

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2）噴射熔融輔助劑（Fusing agent）；

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3）噴射細(xì)化劑（Detailing agent）；

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4）在成型區(qū)域施加能量使粉末熔融。

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重復(fù)1）——4）過程直到所有切片加工結(jié)束，注意噴射細(xì)化劑的區(qū)域并沒有被熔融。

圖2 惠普MJF技術(shù)過程示意圖

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下面是惠普3D打印機(jī)的全套設(shè)備，從左至右依次是MJF 3D打印機(jī)、構(gòu)建單元、處理站。

圖3 惠普3D打印系統(tǒng)組成

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HP打印機(jī)的核心是位于工作臺上的兩個模塊：分別叫做“鋪粉模塊”和“熱噴頭模塊”。“鋪粉模塊”是用來在打印臺上鋪設(shè)粉末材料的。

圖4 鋪粉模塊

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“熱噴頭模塊”則是用來噴射“熔融劑”和“細(xì)化劑”這兩種化學(xué)試劑的，而該模塊正是惠普這款打印機(jī)的最大亮點 — 它能以每秒每英寸3000萬滴的量噴射這兩種試劑。

圖5 熱噴頭模塊

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實際的打印過程如下圖所示：“鋪粉模塊”會首先上下移動鋪設(shè)一層均勻的粉末。然后，“熱噴頭模塊”會左右移動噴射兩種試劑，同時通過兩側(cè)的熱源加熱融化打印區(qū)域的材料。這個過程會往復(fù)進(jìn)行，直至最后打印完成。

圖6 熱噴頭模塊噴射兩種試劑并加熱

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需要指出的是，“助熔劑”會噴射到打印的部分(即打印對象的橫截面)，作用是讓粉末材料充分融化；“精細(xì)劑”則會噴射在打印區(qū)外邊緣，起到隔熱作用。這樣一來，不僅能保證沒有打印的粉末保持松散的狀態(tài)，提高粉末的再利用率（80%，而普通SLS在利用率大約是50%），還能保證打印層表面光滑，提高打印件的精細(xì)度（想想A4紙的光潔度）。下面放大看看HP打印機(jī)的過程模擬：

圖7 惠普3D打印機(jī)成型過程模擬

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二、惠普3D打印機(jī)的優(yōu)勢

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1）加工速度快?；萜?D打印機(jī)的第一大亮點是速度快，據(jù)說可超過普通技術(shù)的10倍。下圖就是以打印齒輪為例的速度對比，可以看到同樣耗費3小時，左側(cè)的擠出技術(shù)（其實就是FDM熔融沉積）只打印出了36個；中間的激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)則略好，打印出了79個；但右側(cè)的惠普多噴射熔融（MJF）技術(shù)卻足足打印出了1000個！

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圖8 MJF與其他工藝打印速度對比

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2）打印件質(zhì)量高。下面就是一個小小驗證，用打印的橢圓形結(jié)構(gòu)吊起了一輛汽車。這個結(jié)構(gòu)打印只用了30分鐘，重1/4磅（約113克），卻可提起最高5噸的重量。

圖9 惠普打印件承重測試

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3）高精度。打印機(jī)噴頭可以達(dá)到1200dpi的精度，考慮到粉末的擴(kuò)散，在XY方向的精度可以達(dá)到約40微米。

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三、惠普3D打印機(jī)的劣勢

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1）材料限制。現(xiàn)在可用材料為尼龍12（PA12），而更多可用材料取決于HP對于細(xì)化劑的開發(fā)；對于金屬器件的打印，可能無法使用一體機(jī)，因為直接在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行燒結(jié)/熔融需要的高溫會影響電子器材包括噴頭的運行。

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2）材料污染。在噴射了細(xì)化劑的區(qū)域，粉末并沒有被燒結(jié)，有可能造成粉末的污染（因為這些噴射了細(xì)化劑的粉末如果被后續(xù)用在成形區(qū)域可能不會被熔融）。

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3）顏色限制。HP所用的熔融輔助劑包含了可以吸收光波的物質(zhì)（可能為炭黑等深色材料），因而所展示的樣品為深色；而打印白色等淺色可能會降低能量吸收，從而會增加成形時間，有可能導(dǎo)致無法成形；對于全彩器件的打印，同時需要考慮色素的耐高溫能力。