聚合物3D打印市场正在快速增长，据报道，聚合物粉末的消费量在2021年增长了43.3%，超过了光聚合物树脂，成为最常用的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更加激烈，这使得制造公司在高速烧结(HSS)、多射流融合(MJF)和选择性激光烧结(SLS)等技术上有了充分的选择。

最初是由尼尔·霍普金森发明的拉夫堡大学西尔维娅·蒙舍默在赢创与此同时，在21世纪初，HSS是一个基于粉末的3D打印过程类似于粘合剂喷射。它以快速的印刷速度和大部件生产能力而闻名。自2016年获得将该技术商业化的许可以来，体素喷射已经开发了自己的HSS版本，并于2017年推出了首款HSS 3D打印机。此后，该公司推出了几款HSS驱动的3D打印机，如VX200 HSS和VX1000 HSS.

同样，MJF也是binder jet旗下的兄弟。大功率(High Power)ˌ高压(High Pressure)ˌ高性能(High Performance)ˌ高聚物(High Polymer)为功能原型和最终用途生产提供工程级聚合物部件，在汽车和消费品等行业有广泛应用。

与基于喷墨的HSS和MJF不同，SLS是激光粉末床融合的一种形式。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相似的特性和表面光洁度，这些聚合物打印技术被视为竞争对手并不罕见。在本期特别回顾中，我们将详细介绍这三项技术的来龙去脉，并了解它们之间的区别。

voxeljet VX1000 HSS。图片来自voxeljet。

喷墨之战:HSS vs MJF

那么HSS是如何工作的呢？它首先在加热的构建平台上涂上一层薄薄的聚合物粉末。然后，喷墨打印头在平台上移动，并向粉末层的选定区域喷射红外反应墨水。一旦暴露在红外光下，注入墨水的粉末吸收热量，烧结并熔化成固体层，留下未印刷的区域作为松散的粉末。然后降低构建平台，沉积一层新的粉末，并一层一层地重复这个过程，直到打印出3D零件。

MJF在许多方面与HSS相似。与HSS工艺非常相似，MJF将吸收辐射的液体(也称为融合剂)喷射到聚合物粉末床的特定区域。其他不需要印刷的区域的边缘，用一种叫做细节剂的辅助液体冷却。喷射完成后，用红外线灯照射整个建筑区域，熔化浸在粘合剂中的部分。喷有细节剂的边界仍未熔化。

除了voxeljet的VX1000打印机尺寸巨大之外，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打印机可以相互独立地控制结合和未结合粉末材料的温度。他们通过使用两种不同波长的红外发射器来实现这一点，这意味着不需要细节代理来实现精确的边缘定义。

由于其详细代理，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，因此在这种情况下，更高的打印头分辨率不一定意味着更精确的零件。事实上，由于HSS液滴略大于单个聚合物颗粒(通常约55微米宽)，它们能够完全覆盖颗粒之间的交叉点，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

查看一些关键技术规格，MJF系统的最大构建体积为380 x 294 x 380mm毫米，而voxeljet VX1000 HSS的最大构建体积为1000 x 540 x 180mm毫米(适用于PA12)。VX1000 HSS在打印速度方面也保持不变，高达7300厘米/小时。另一方面，最具生产力的MJF 3D打印机的打印速度为5058厘米/小时

这两个过程之间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，使他们的产品适应他们自己的材料，没有任何障碍。这可以节省大量成本，因为用户可以直接与材料供应商协商自己的粉末价格。相容聚合物的清单很长，包括PA12、TPU和PP，它们或者已经上市，或者即将上市。此外，成功的概念验证包括PA613、PEBA和EVA。

相比之下，MJF 3D打印机能够处理PA12、PA11和PP。这两种技术都允许未打印的粉末材料被回收和再加工。

MJF 3D打印机的建造室。照片来自Protolabs。

将SLS 3D打印融入其中

为了全面起见，我们也将在这篇综述中涉及SLS 3D打印。

SLS 3D打印机的工作原理是这样的:激光首先将零件第一层的2D横截面扫描到粉末层中，这不会完全熔化粉末，但足以烧结粉末，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，促使重新涂覆器在现有粉末层上涂覆一层薄而均匀的材料。这种印刷和重涂的循环不断重复，直到整个构件被制造出来。

最大的SLS系统可以打印米范围内的零件，Z高度打印速度约为48毫米/小时(取决于盒子的利用率)。

粉末床融合生态系统是3D打印行业中最发达的生态系统之一，这意味着今天的工业级SLS系统与各种聚合物粉末兼容。这包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK等等。

EOS工业聚合物3D打印机的构建室。照片通过EOS。

高速钢vs MJF vs SLS:机械性能

为了评估每种3D打印技术的机械性能，我们查看了一系列供应商向我们提供的一些拉伸测试数据。这些数据涵盖了每种技术的总共15个拉伸测试狗骨状样本(五个沿X轴打印，五个沿Y轴打印，五个沿Z轴打印)，每个样本都在PA12中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印刷技术生产的零件强度最大，我们考察了平均极限拉伸强度(UTS)。这是零件在断裂前可以承受的最大拉应力。对于这一轮，SLS打印了平均强度最高的样品(45.17兆帕)，其次是MJF(43.10兆帕)，然后嘶(40.60兆帕).相应的断裂时的最大载荷对于三种技术分别为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的值为46 (+/- 2) MPa。出现差异的原因是材料数据表中给出的数据指的是针对机械数据优化了工艺参数的印刷。相比之下，为这项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，客户可以选择根据自己的应用优化的规格打印零件，与voxeljet提供的开源策略相结合。

接下来是杨氏模量，它是抗拉刚度的一种度量。较高的杨氏模量意味着较硬的部分在弹性负载下仅轻微变形，而较低的杨氏模量对应于在负载下更具弹性的部分。这一次，HSS生产出了最坚硬的部分(1.82千兆帕)，其次是SLS(1.73GPa)，而MJF(1.43GPa).

最后，我们有断裂伸长率，它是延展性的一种量度。该测量显示了一个零件在断裂前可以拉伸的程度，以其原始长度的百分比表示。有趣的是，在XY平面上，SLS打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生产最具延展性的零件(14.40%)，其次是SLS(9.32%)，以及HSS(6.36%).

高速钢vs MJF vs SLS:尺寸精度

接下来，我们想比较每种3D打印技术的尺寸精度。为此，我们对四种不同的零件几何形状进行了计量扫描，每种几何形状都是3D打印并扫描三次(一次通过HSS、MJF和SLS)。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零件表面不同点的打印偏差和不准确性。使用的3D扫描仪是GOM ATOS II 400，其精度为30μm

计量测试结果。3D打印行业的图像。

从计量数据来看，四个SLS打印零件总体上最精确，因为它们的尺寸最接近STL模型的预期尺寸，平均偏差仅为0.0084毫米。HSS的平均不精确度为0.0527毫米，而MJF的平均不精确度为0.0603毫米，远远落后

然而，仅仅是平均值并不能说明全部情况。从尺寸误差的标准偏差值来看，SLS实际上具有最高的0.1232毫米的偏差。其次是MJF，为0.1074毫米，而HSS的扫描误差之间的偏差最低，仅为0.0925毫米。因此，虽然SLS打印零件的尺寸平均来说更接近实际尺寸，但实际上是HSS工艺提供了最大的一致性和可重复性。

为了更好地理解这一点，我们将仔细研究四个几何图形中的一个(支架)，如上图所示。钟形曲线上的边界定义了99.6%的点所在的区域。例如，通过SLS打印的3D尺寸的99.6%在其预期值的-0.366毫米和0.388毫米之内。对于MJF，这些数字分别为-0.402毫米和0.154毫米。最后，对于HSS，99.6%的印刷尺寸在其预期值的-0.313毫米和0.155毫米范围内。

有趣的是，绝大多数HSS和MJF零件的尺寸都小于其预期值，而不是更大。这可以归因于这些3D打印方法固有的加热步骤，由此使用红外线灯烧结和熔化聚合物部件，以增加密度和强度。不幸的是，这还会导致零件收缩，因此在印刷准备过程中缩放堆积的尺寸来抵消这种影响是一个好主意。

技术基准:显示细节分辨率的酷刑立方体

为了进一步评估这三种工艺的打印能力，我们评估了几项物理3D打印基准测试。这些测试中的第一个是用PA12印刷的一套三个酷刑立方体，我们很高兴自己组装。该设计由几个较小的立方体组成，每个立方体都有独特的3D打印特征，如晶格几何形状或移动齿轮系统。

酷刑立方体是一种动态打印测试，具有过多的移动组件，这意味着它提供了一种确定三种技术之间表面质量差异的好方法。在这种情况下，我们观察了每个立方体的组装过程有多简单，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打印的酷刑立方体——MJF(左)、SLS(中)、HSS(右)。3D打印行业的照片。

到了组装HSS酷刑魔方的时候，前六个面不费吹灰之力就被夹了进去。由于摩擦，需要滑动而不是夹住的角件更难插入到位，其中一些需要使用螺丝刀。

至于3D打印的功能，HSS cube的球窝接头根本不起作用，铰链可以工作，但很僵硬，弹簧按照预期完美地工作。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旋转，尽管有一些阻力。

仔细观察一些更复杂的立方体元素，我们注意到HSS部件在残余粉末方面是最干净的。事实上，我们在晶格几何的空腔中找不到任何松散的粉末，所以不需要额外的后处理。

接下来，我们组装了SLS酷刑魔方。这一次，由于关节中存在多余的粉末，我们在六个卡入面上面临更多的困难。然而，由于SLS提供了更光滑的表面纹理，滑入式角立方体更容易组装，没有太多的摩擦。

查看3D打印的功能，球窝接头不工作，铰链不工作，但弹簧工作正常。再次，有太多的表面到表面的结合，齿轮系统根本无法移动，但更大的立方体组装是尽可能光滑。总的来说，我们对更宽的SLS组件的流动性印象非常深刻，因为它最容易旋转。

由于网格结构中存在少量的残留尼龙粉末，我们不得不对SLS构建进行一些额外的后处理。这包括在组装前吹掉空腔并手动摇动立方体元件。

最后，我们组装了MJF拷问魔方。就像HSS印刷品一样，前六个面很容易夹进去，但相对粗糙的表面纹理意味着滑入式角件需要一些重要的额外工作。

有趣的是，这个立方体上的3D打印功能提供了三者中最好的功能。MJF大会是唯一一个有一个工作球窝关节，它有最平稳的铰链运动，和弹簧反弹预期。然而，由于MJF表面的纹理和无意的粘合，齿轮系统再次无法移动。旋转的容易程度类似于HSS的构建。

与SLS立方体非常相似，我们在单个元素中发现了少量残余粉末。同样，在组装MJF模型之前，我们必须执行一些额外的去粉末操作，特别是吹掉空腔，手动摇动立方体。

总之，我们可以看到HSS和MJF 3D打印的立方体比SLS打印的立方体明显更粗糙，导致表面纹理更粗糙。在MJF立方体的情况下，我们还可以看到层线，这意味着HSS和SLS打印提供了最佳的表面质量。

如果我们比较三种技术的相同立方体，我们会注意到HSS提供了最佳的细节分辨率，提供了最精细的边缘、最锐利的拐角和最干净的薄壁。向下移动，SLS的对应物开始变得有点模糊，失去了它们的锐度和脆度。最后，MJF的变体在视觉上最为生硬。

技术基准:工业零件

为了补充审查，服务提供商还向我们发送了四种不同的工业零件设计，3D打印在PA12中。每个模型都被3D打印了三次:一次通过HSS、SLS和MJF。以下部分包括一个管道元件、一个悬挂原型、一个支架和一个具有多组孔和塔的通用基准模型。就像酷刑立方体一样，这些3D打印部件允许我们定性地评估这三个过程的性能。

顶部——HSS，中部——SLS，底部——MJF:

观察管状元件、支架和悬架原型，我们再次看到SLS工艺能够获得最光滑的表面。类似地，MJF部分是唯一肉眼可见的层线，而体素科技的HSS 3D打印机位于中间的某个位置。

从3D打印的基准模型中，我们可以看到HSS变体确实具有最精细的几何凹槽和最清晰的字迹，这证明了该工艺的准确性，表明在细节分辨率方面，晶粒大小确实比dpi更重要。SLS部分是唯一一个成功制造所有塔的部分，然而，HSS和MJF遗漏了最薄的尖峰。

有趣的是，MJF和SLS构建上的孔被打印为真正的圆形(它们应该是这样的)，而HSS过程产生的孔更接近椭圆形。然而，HSS再次提供了最佳的边缘和最尖锐的角落，而SLS和MJF明显更钝。

定价和应用

制造商在日常运营中实际使用这些聚合物3D打印技术的成本是多少？为了回答这个问题，我们向几家3D打印服务提供商寻求帮助。

为了比较HSS、MJF和SLS的价格，我们要求对四种不同的3D可打印零件进行即时报价。我们选择尼龙(PA12)作为材料，并对报价进行平均，以提供每种工艺的综合定价概况。

有趣的是，HSS 3D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被证明是最不具成本效益的，平均成本为27.50欧元(+73.8%)。

由于技术的相似性，当考虑初始成本时，HSS和MJF的定价实际上是相似的，但有几个因素最终会使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允许印刷更大批量的零件，这降低了批量生产中每个零件的成本。HSS也只使用一种吸收液，而MJF使用两种吸收液。这种材料消耗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领域的功能原型和低应力最终用途生产提供了可行的途径。用例包括电子外壳、连接器、支架、盖子、接线夹、制造指南和管道。

另一方面，虽然SLS价格较高，但它适用于更高强度的零件，并且是三种能够加工高性能工程聚合物(如PEEK)的零件中唯一的一种。因此，那些在市场上购买高强度最终用途部件的人会希望支付额外费用，以确保他们获得工作所需的机械性能。

判断

那么，你应该选择哪种聚合物3D打印技术呢？和生活中的很多事情一样，答案是:看情况。

当谈到零件强度时，像HSS和MJF这样的喷墨技术不会击败SLS，但如果你在预算内运营，并且有问题的组件不会承受极端负载，HSS可能就适合你。

有趣的是，我们的测试还表明，高速钢适用于高刚度零件，而MJF提供更大的延展性和弹性，即使使用相同的材料。因此，当零件的变形需要最小化时，最好使用高速钢，而在需要弯曲和柔性的情况下，应该使用MJF。

当谈到尺寸精度时，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，这将取决于使用案例，但对于许多批量生产应用，可重复性对于确保产品可靠性和满足某些最终质量目标至关重要。

最后，我们建议在选择任何一种3D打印技术之前，对特定零件和应用的成本、交付周期、材料选择和机械性能要求进行全面评估。

源文来源网络