聚合物3D列印市場正在快速增長，據報導，聚合物粉末的消費量在2021年增長了43.3%，超過了光聚合物樹脂，成為最常用的3D列印材料。因此，工業3D印表機原始設備製造商之間的競爭比以往任何時候都更加激烈，這使得製造公司在高速燒結(HSS)、多射流融合(MJF)和選擇性鐳射燒結(SLS)等技術上有了充分的選擇。

最初是由尼爾·霍普金森發明的拉夫堡大學西爾維婭·蒙舍默在贏創與此同時，在21世紀初，HSS是一個基於粉末的3D列印過程類似於粘合劑噴射。它以快速的印刷速度和大部件生產能力而聞名。自2016年獲得將該技術商業化的許可以來，體素噴射已經開發了自己的HSS版本，並於2017年推出了首款HSS 3D印表機。此後，該公司推出了幾款HSS驅動的3D印表機，如VX200 HSS和VX1000 HSS.

同樣，MJF也是binder jet旗下的兄弟。大功率(High Power)ˌ高壓(High Pressure)ˌ高性能(High Performance)ˌ高聚物(High Polymer)為功能原型和最終用途生產提供工程級聚合物部件，在汽車和消費品等行業有廣泛應用。

與基於噴墨的HSS和MJF不同，SLS是鐳射粉末床融合的一種形式。該方法利用高功率雷射光束和掃描系統，在聚合物粉末床中3D列印零件。

由於所有工藝都具有相似的特性和表面光潔度，這些聚合物列印技術被視為競爭對手並不罕見。在本期特別回顧中，我們將詳細介紹這三項技術的來龍去脈，並瞭解它們之間的區別。

voxeljet VX1000 HSS。圖片來自voxeljet。

噴墨之戰:HSS vs MJF

那麼HSS是如何工作的呢？它首先在加熱的構建平臺上塗上一層薄薄的聚合物粉末。然後，噴墨列印頭在平臺上移動，並向粉末層的選定區域噴射紅外反應墨水。一旦暴露在紅外光下，注入墨水的粉末吸收熱量，燒結並熔化成固體層，留下未印刷的區域作為鬆散的粉末。然後降低構建平臺，沉積一層新的粉末，並一層一層地重複這個過程，直到列印出3D零件。

MJF在許多方面與HSS相似。與HSS工藝非常相似，MJF將吸收輻射的液體(也稱為融合劑)噴射到聚合物粉末床的特定區域。其他不需要印刷的區域的邊緣，用一種叫做細節劑的輔助液體冷卻。噴射完成後，用紅外線燈照射整個建築區域，熔化浸在粘合劑中的部分。噴有細節劑的邊界仍未熔化。

除了voxeljet的VX1000印表機尺寸巨大之外，這兩種技術的主要區別在於使用的液體數量。HSS不需要第二種冷卻劑，因為voxeljet的3D印表機可以相互獨立地控制結合和未結合粉末材料的溫度。他們通過使用兩種不同波長的紅外發射器來實現這一點，這意味著不需要細節代理來實現精確的邊緣定義。

由於其詳細代理，MJF擁有1200dpi的解析度，而HSS只有360dpi。但決定零件解析度的關鍵因素仍然是粉末的粒度，因此在這種情況下，更高的列印頭解析度不一定意味著更精確的零件。事實上，由於HSS液滴略大於單個聚合物顆粒(通常約55微米寬)，它們能夠完全覆蓋顆粒之間的交叉點，這對於燒結的發生至關重要。

HSS和MJF的解析度比較。圖片來自voxeljet

查看一些關鍵技術規格，MJF系統的最大構建體積為380 x 294 x 380mm毫米，而voxeljet VX1000 HSS的最大構建體積為1000 x 540 x 180mm毫米(適用於PA12)。VX1000 HSS在列印速度方面也保持不變，高達7300釐米/小時。另一方面，最具生產力的MJF 3D印表機的列印速度為5058釐米/小時

這兩個過程之間的另一個主要區別是HSS對3D列印的開源方法。voxeljet的客戶能夠自由訪問他們機器的所有工藝參數，使他們的產品適應他們自己的材料，沒有任何障礙。這可以節省大量成本，因為用戶可以直接與材料供應商協商自己的粉末價格。相容聚合物的清單很長，包括PA12、TPU和PP，它們或者已經上市，或者即將上市。此外，成功的概念驗證包括PA613、PEBA和EVA。

相比之下，MJF 3D印表機能夠處理PA12、PA11和PP。這兩種技術都允許未列印的粉末材料被回收和再加工。

MJF 3D印表機的建造室。照片來自Protolabs。

將SLS 3D列印融入其中

為了全面起見，我們也將在這篇綜述中涉及SLS 3D列印。

SLS 3D印表機的工作原理是這樣的:鐳射首先將零件第一層的2D橫截面掃描到粉末層中，這不會完全熔化粉末，但足以燒結粉末，使其融合成一個固體層。一旦第一層完成，構建平臺向下移動，促使重新塗覆器在現有粉末層上塗覆一層薄而均勻的材料。這種印刷和重塗的迴圈不斷重複，直到整個構件被製造出來。

最大的SLS系統可以列印米範圍內的零件，Z高度列印速度約為48毫米/小時(取決於盒子的利用率)。

粉末床融合生態系統是3D列印行業中最發達的生態系統之一，這意味著今天的工業級SLS系統與各種聚合物粉末相容。這包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK等等。

EOS工業聚合物3D印表機的構建室。照片通過EOS。

高速鋼vs MJF vs SLS:機械性能

為了評估每種3D列印技術的機械性能，我們查看了一系列供應商向我們提供的一些拉伸測試數據。這些數據涵蓋了每種技術的總共15個拉伸測試狗骨狀樣本(五個沿X軸列印，五個沿Y軸列印，五個沿Z軸列印)，每個樣本都在PA12中3D列印，並根據ISO 527標準進行測試。

首先，為了確定哪種聚合物印刷技術生產的零件強度最大，我們考察了平均極限拉伸強度(UTS)。這是零件在斷裂前可以承受的最大拉應力。對於這一輪，SLS列印了平均強度最高的樣品(45.17兆帕)，其次是MJF(43.10兆帕)，然後嘶(40.60兆帕).相應的斷裂時的最大載荷對於三種技術分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12數據表中，XY的UTS值為52 (+/- 1) MPa，z的值為46 (+/- 2) MPa。出現差異的原因是材料數據表中給出的數據指的是針對機械數據優化了工藝參數的印刷。相比之下，為這項研究列印的狗骨是用針對精度和細節優化的參數列印的。因此，客戶可以選擇根據自己的應用優化的規格列印零件，與voxeljet提供的開源策略相結合。

接下來是楊氏模量，它是抗拉剛度的一種度量。較高的楊氏模量意味著較硬的部分在彈性負載下僅輕微變形，而較低的楊氏模量對應於在負載下更具彈性的部分。這一次，HSS生產出了最堅硬的部分(1.82千兆帕)，其次是SLS(1.73GPa)，而MJF(1.43GPa).

最後，我們有斷裂伸長率，它是延展性的一種量度。該測量顯示了一個零件在斷裂前可以拉伸的程度，以其原始長度的百分比表示。有趣的是，在XY平面上，SLS列印出了最具延展性的零件(17.53%)，其次是MJF(16.87%)，以及HSS(8.88%).然而，在Z平面上，MJF生產最具延展性的零件(14.40%)，其次是SLS(9.32%)，以及HSS(6.36%).

高速鋼vs MJF vs SLS:尺寸精度

接下來，我們想比較每種3D列印技術的尺寸精度。為此，我們對四種不同的零件幾何形狀進行了計量掃描，每種幾何形狀都是3D列印並掃描三次(一次通過HSS、MJF和SLS)。我們將零件的這12次掃描與原始STL檔進行了比較，這使我們能夠計算出零件表面不同點的列印偏差和不准確性。使用的3D掃描器是GOM ATOS II 400，其精度為30μm

計量測試結果。3D列印行業的圖像。

從計量數據來看，四個SLS列印零件總體上最精確，因為它們的尺寸最接近STL模型的預期尺寸，平均偏差僅為0.0084毫米。HSS的平均不精確度為0.0527毫米，而MJF的平均不精確度為0.0603毫米，遠遠落後

然而，僅僅是平均值並不能說明全部情況。從尺寸誤差的標準偏差值來看，SLS實際上具有最高的0.1232毫米的偏差。其次是MJF，為0.1074毫米，而HSS的掃描誤差之間的偏差最低，僅為0.0925毫米。因此，雖然SLS列印零件的尺寸平均來說更接近實際尺寸，但實際上是HSS工藝提供了最大的一致性和可重複性。

為了更好地理解這一點，我們將仔細研究四個幾何圖形中的一個(支架)，如上圖所示。鐘形曲線上的邊界定義了99.6%的點所在的區域。例如，通過SLS列印的3D尺寸的99.6%在其預期值的-0.366毫米和0.388毫米之內。對於MJF，這些數字分別為-0.402毫米和0.154毫米。最後，對於HSS，99.6%的印刷尺寸在其預期值的-0.313毫米和0.155毫米範圍內。

有趣的是，絕大多數HSS和MJF零件的尺寸都小於其預期值，而不是更大。這可以歸因於這些3D列印方法固有的加熱步驟，由此使用紅外線燈燒結和熔化聚合物部件，以增加密度和強度。不幸的是，這還會導致零件收縮，因此在印刷準備過程中縮放堆積的尺寸來抵消這種影響是一個好主意。

技術基準:顯示細節解析度的酷刑立方體

為了進一步評估這三種工藝的列印能力，我們評估了幾項物理3D列印基準測試。這些測試中的第一個是用PA12印刷的一套三個酷刑立方體，我們很高興自己組裝。該設計由幾個較小的立方體組成，每個立方體都有獨特的3D列印特徵，如晶格幾何形狀或移動齒輪系統。

酷刑立方體是一種動態列印測試，具有過多的移動組件，這意味著它提供了一種確定三種技術之間表面品質差異的好方法。在這種情況下，我們觀察了每個立方體的組裝過程有多簡單，立方體運動的整體流暢性，以及三種技術之間的細節解析度。

3D列印的酷刑立方體——MJF(左)、SLS(中)、HSS(右)。3D列印行業的照片。

到了組裝HSS酷刑魔方的時候，前六個面不費吹灰之力就被夾了進去。由於摩擦，需要滑動而不是夾住的角件更難插入到位，其中一些需要使用螺絲刀。

至於3D列印的功能，HSS cube的球窩接頭根本不起作用，鉸鏈可以工作，但很僵硬，彈簧按照預期完美地工作。此外，我們遇到了太多的摩擦，齒輪系統根本無法移動，而較大的立方體本身確實旋轉，儘管有一些阻力。

仔細觀察一些更複雜的立方體元素，我們注意到HSS部件在殘餘粉末方面是最乾淨的。事實上，我們在晶格幾何的空腔中找不到任何鬆散的粉末，所以不需要額外的後處理。

接下來，我們組裝了SLS酷刑魔方。這一次，由於關節中存在多餘的粉末，我們在六個卡入面上面臨更多的困難。然而，由於SLS提供了更光滑的表面紋理，滑入式角立方體更容易組裝，沒有太多的摩擦。

查看3D列印的功能，球窩接頭不工作，鉸鏈不工作，但彈簧工作正常。再次，有太多的表面到表面的結合，齒輪系統根本無法移動，但更大的立方體組裝是盡可能光滑。總的來說，我們對更寬的SLS組件的流動性印象非常深刻，因為它最容易旋轉。

由於網格結構中存在少量的殘留尼龍粉末，我們不得不對SLS構建進行一些額外的後處理。這包括在組裝前吹掉空腔並手動搖動立方體元件。

最後，我們組裝了MJF拷問魔方。就像HSS印刷品一樣，前六個面很容易夾進去，但相對粗糙的表面紋理意味著滑入式角件需要一些重要的額外工作。

有趣的是，這個立方體上的3D列印功能提供了三者中最好的功能。MJF大會是唯一一個有一個工作球窩關節，它有最平穩的鉸鏈運動，和彈簧反彈預期。然而，由於MJF表面的紋理和無意的粘合，齒輪系統再次無法移動。旋轉的容易程度類似於HSS的構建。

與SLS立方體非常相似，我們在單個元素中發現了少量殘餘粉末。同樣，在組裝MJF模型之前，我們必須執行一些額外的去粉末操作，特別是吹掉空腔，手動搖動立方體。

總之，我們可以看到HSS和MJF 3D列印的立方體比SLS列印的立方體明顯更粗糙，導致表面紋理更粗糙。在MJF立方體的情況下，我們還可以看到層線，這意味著HSS和SLS列印提供了最佳的表面品質。

如果我們比較三種技術的相同立方體，我們會注意到HSS提供了最佳的細節解析度，提供了最精細的邊緣、最銳利的拐角和最乾淨的薄壁。向下移動，SLS的對應物開始變得有點模糊，失去了它們的銳度和脆度。最後，MJF的變體在視覺上最為生硬。

技術基準:工業零件

為了補充審查，服務提供商還向我們發送了四種不同的工業零件設計，3D列印在PA12中。每個模型都被3D列印了三次:一次通過HSS、SLS和MJF。以下部分包括一個管道元件、一個懸掛原型、一個支架和一個具有多組孔和塔的通用基準模型。就像酷刑立方體一樣，這些3D列印部件允許我們定性地評估這三個過程的性能。

頂部——HSS，中部——SLS，底部——MJF:

觀察管狀元件、支架和懸架原型，我們再次看到SLS工藝能夠獲得最光滑的表面。類似地，MJF部分是唯一肉眼可見的層線，而體素科技的HSS 3D印表機位於中間的某個位置。

從3D列印的基準模型中，我們可以看到HSS變體確實具有最精細的幾何凹槽和最清晰的字跡，這證明了該工藝的準確性，表明在細節解析度方面，晶粒大小確實比dpi更重要。SLS部分是唯一一個成功製造所有塔的部分，然而，HSS和MJF遺漏了最薄的尖峰。

有趣的是，MJF和SLS構建上的孔被列印為真正的圓形(它們應該是這樣的)，而HSS過程產生的孔更接近橢圓形。然而，HSS再次提供了最佳的邊緣和最尖銳的角落，而SLS和MJF明顯更鈍。

定價和應用

製造商在日常運營中實際使用這些聚合物3D列印技術的成本是多少？為了回答這個問題，我們向幾家3D列印服務提供商尋求幫助。

為了比較HSS、MJF和SLS的價格，我們要求對四種不同的3D可列印零件進行即時報價。我們選擇尼龍(PA12)作為材料，並對報價進行平均，以提供每種工藝的綜合定價概況。

有趣的是，HSS 3D列印被證明是最具成本效益的，平均零件價格為15.82歐元。MJF緊隨其後，平均零件成本為23.89歐元(+51.0%)，而SLS被證明是最不具成本效益的，平均成本為27.50歐元(+73.8%)。

由於技術的相似性，當考慮初始成本時，HSS和MJF的定價實際上是相似的，但有幾個因素最終會使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允許印刷更大批量的零件，這降低了批量生產中每個零件的成本。HSS也只使用一種吸收液，而MJF使用兩種吸收液。這種材料消耗的差異進一步影響了運行成本。

就應用而言，HSS和MJF都為汽車和消費品等領域的功能原型和低應力最終用途生產提供了可行的途徑。用例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、接線夾、製造指南和管道。

另一方面，雖然SLS價格較高，但它適用於更高強度的零件，並且是三種能夠加工高性能工程聚合物(如PEEK)的零件中唯一的一種。因此，那些在市場上購買高強度最終用途部件的人會希望支付額外費用，以確保他們獲得工作所需的機械性能。

判斷

那麼，你應該選擇哪種聚合物3D列印技術呢？和生活中的很多事情一樣，答案是:看情況。

當談到零件強度時，像HSS和MJF這樣的噴墨技術不會擊敗SLS，但如果你在預算內運營，並且有問題的組件不會承受極端負載，HSS可能就適合你。

有趣的是，我們的測試還表明，高速鋼適用於高剛度零件，而MJF提供更大的延展性和彈性，即使使用相同的材料。因此，當零件的變形需要最小化時，最好使用高速鋼，而在需要彎曲和柔性的情況下，應該使用MJF。

當談到尺寸精度時，基於鐳射的SLS 3D列印勝過基於噴墨的兩種工藝，但HSS表現出最大的可重複性。同樣，這將取決於使用案例，但對於許多批量生產應用，可重複性對於確保產品可靠性和滿足某些最終品質目標至關重要。

最後，我們建議在選擇任何一種3D列印技術之前，對特定零件和應用的成本、交付週期、材料選擇和機械性能要求進行全面評估。

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