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SLS vs MJF:激光烧结3d打印机技术对比
2023-11-20
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激光烧结3D打印技术虽然不是最近的发明,但却是 3D 打印行业规模最大且增长最快的细分领域之一。对于塑料粉末 3D 打印,两种最流行的方法是选择性激光烧结 (SLS)和多射流熔融 (MJF) 技术。


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使用 Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印机(左)、HP Multi-Jet Fusion (MJF) 3D 打印机(中)和 EOS SLS 3D 打印机(右)打印相同的汽车歧管原型


通过硬件、软件和材料方面的创新,3D 打印机制造商正在扩大 SLS 和 MJF 3D 打印机的可能应用范围,例如最终用途零件的小批量生产、功能原型制作、制造辅助工具和替换零件。这两种形式的粉末床熔融技术都有其特定的优点和缺点,在选择技术时应考虑成本、占地面积、预期应用和体积容量等因素。


在本指南中,我们将讨论两种技术的工作原理、每种技术的优点和缺点,以及可以最佳利用它们的不同应用。



为什么选择激光烧结3D打印?


每个零件的高吞吐量和低成本


激光烧结3D打印机通常比更普遍的熔融沉积建模 (FDM)或立体光刻 (SLA)技术更大,因此更有能力在每次构建中生产许多零件。粉末床的构建室和自支撑特性允许零件垂直堆叠,甚至嵌套在一起。此功能使 SLS 或 MJF 3D 打印机的操作员能够最大限度地利用空间并尽可能充分地填充整个房间。无支撑结构还意味着零件的后处理更加容易且劳动力密集度较低,从而能够持续大规模生产零件。


例如,Formlabs 的 Fuse 系列 SLS 3D 打印机通过优化的排包算法自动执行此功能,该算法对零件进行定向,以便填充每个可能的厘米。完全填充构建室还可以使填充密度与刷新率保持一致,以便所有未烧结的粉末都可以重复使用,实现零废物打印工作流程。


总之,具有完全封装的构建室的激光烧结3D打印通过以下方式降低了每个零件的成本:

  • 用更少的构建生产更多的零件,提高整体效率并减少劳动时间。

  • 优化未烧结粉末的量,以最大限度地减少甚至完全减少浪费。


材料的熟悉程度


SLS 和 MJF 打印中使用的主要材料组是尼龙,这是一种高性能的工程热塑性塑料,适用于功能原型制作和最终用途生产,广泛用于现代工业和消费品。尼龙耐紫外线、光、热、湿气、溶剂、温度和水。3D 打印尼龙部件还具有生物相容性且不致敏,这意味着它们适合皮肤接触并且在许多情况下可以安全使用。


尽管许多将零件外包给合同制造商或服务机构的企业可能不了解 SLS 和 MJF 技术之间的差异,但他们熟悉这种材料,这意味着采用粉末 3D 打印技术比大多数其他工艺更容易。


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粉末床熔融 3D 打印材料为工程师和消费者所熟悉,用于生产坚固、坚固的最终用途产品


什么是 SLS 3D 打印?


SLS 3D 打印是第一个粉末烧结 3D 打印技术,几十年来一直是工程师和制造商的热门选择。SLS 是由德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员于 1982 年发明的,它是指用高功率激光从上方烧结一层薄薄的粉末以形成所需几何形状的实心横截面的技术。每一层之后,随着打印平台下降并构建下一层,打印机会在构建室的顶部撒上另一层薄薄的粉末。这种激光粉末烧结方法对制造商、工程师和产品设计师很有吸引力,因为它的每个零件成本低、容量大且材料熟悉。


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选择性激光烧结工艺示意图


当今市场上的 SLS 3D 打印机


工业 SLS 3D打印机已经面世数十年,并被用作另一种重型机械或制造设备,非常适合其设计的工作,但只有拥有空间、资金和专门操作人员的大型机构才能使用。


EOS 或 3D Systems 等制造商在设计这些系统时会考虑到非常特定的客户。他们的客户每年在机械、服务和维护上花费数十万甚至数百万美元,并拥有仓库和基础设施来支持他们。他们的客户不是初创企业、小型企业或个人,仅仅是因为他们的粉末 3D 打印解决方案价格过高。


近年来,人们一直在努力制造更小规模、更便宜的 SLS 3D 打印解决方案,这是 MJF 技术无法提供的,因为 MJF 技术只提供大幅面选项。


Formlabs Fuse 1 打印机是第一台台式 SLS 3D 打印机,能够生产工业品质的零件,其质量可与传统 SLS 系统等昂贵选项生产的零件相当。Fuse 1和新款 Fuse 1+ 30W的占地面积不到 EOS 入门级机器一半的大小、简化的工作流程和实惠的价格,使数百家中小型制造商能够将 SLS 引入内部,同时允许大型制造商增加机器容量并分散其生产的各个方面。


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Fuse 1+ 30W SLS 3D 打印机和 Fuse Sift 一体化粉末回收站


什么是 MJF 3D 打印?


多喷射融合 3D 打印是一种粉末融合增材制造工艺,可生产与 SLS 类似的零件,但工艺略有不同。为了形成零件,打印机将液体粘合剂从许多小喷嘴分配到粉末床上,使粉末达到半固态,然后加热完成该过程。然后,红外热源固化半固体十字形状,然后沉积另一层粉末并重复该过程。该工艺由惠普 (HP) 于 2016 年发明,目前仍以该品牌获得专利。


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多射流聚变过程示意图


多喷头融合打印机通常被视为可与 SLS 3D 打印机互换,特别是当企业将 3D 打印零件外包给服务机构时。这些服务机构将提供多种类型的 3D 打印技术,但通常不会区分两种不同类型的粉末床熔融打印部件,因为最终部件的性能在很大程度上相似。


与 SLS 3D 打印机一样,MJF 零件不需要支撑,因此提供了更多的设计自由度,并且不需要其他一些 3D 打印工艺所需的复杂的后处理步骤。液体粘合剂和热的结合产生的部件具有与激光烧结几乎相同的机械性能,并且这些部件同样大多是各向同性的。



当今市场上的 MJF 3D 打印机


惠普仍然拥有 MJF 3D 打印技术的专利,因此市场上唯一的 MJF 打印机属于惠普的 Multi Jet Fusion 3D 系列。惠普还控制操作打印机所需的专有软件。HP 3D 打印机的价格从约 340,000 美元到超过 500,000 美元不等,可提供高度精确的零件,但与传统的 SLS 3D 打印解决方案类似,在成本、时间、持续维护和基础设施方面需要更大的投资。HP MJF 3D 打印机最常被服务机构、财富 500 强公司的大型内部增材制造实验室使用,并且由于其多色功能,经常成为医疗保健中心先进制造计划的一部分。惠普曾经向设计师和产品开发团队提供较小规格的 MJF 3D 打印机,但最近已停产。


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HP Multi Jet Fusion 4200 3D 打印解决方案


SLS 与 MJF 3D 打印比较


质量和零件性能


由于激光烧结 3D 打印技术大多在内部用于功能原型设计或生产,因此精度和机械强度是首要考虑因素。对于这个价格范围内的打印机,部件必须具有良好的性能。其他技术适用于外观或拟合测试原型,但 SLS 和 MJF 用户在更苛刻的环境中使用其零件,需要依赖其强度和耐用性。在这方面,SLS 和 MJF 部件实际上是相同的,因为最常见的可用材料是相同或相似的——尼龙、尼龙复合材料的变体,以及一些粉末打印机能够打印 TPU 等柔性材料。


尼龙12材料特性

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这两种形式的粉末激光烧结技术都生产出具有轻微颗粒状纹理的零件,并且对后处理技术有类似的建议。工程师和制造商期望粉末 3D 打印零件具有这种纹理,并且 SLS 和 MJF 打印表面饰面的纹理通常没有区别。


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使用 Fuse 1+ 30W SLS 打印机(左)、HP MJF 打印机(中)和 EOS SLS 打印机(右)打印的钻头外壳原型


软件


SLS 和 MJF 3D 打印机通常配备专有软件打印准备、打印管理、监控和维护。除了这些标准功能之外,用于高效地将零件打包到构建中的软件对于粉末 3D 打印也至关重要。一些公司将此功能内置到他们的打印准备软件中,例如 Formlabs 的PreForm,它具有自动包装算法,而其他制造商则要求客户单独购买现成的解决方案,这可能会额外花费 10,000 美元以上。


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Fuse 系列打印机使用PreForm 打印准备软件(免费下载),使您可以在 3D 网格内无缝复制和组织多个零件,以便在单次打印中使用尽可能多的构建空间。PreForm 自动建议最佳方向和零件包装,并能够根据需要手动优化


材料可用性


SLS 和 MJF 3D 打印最常见的材料是尼龙,特别是尼龙 12。尼龙还有多种变体和复合材料可供选择,每种材料都针对不同的应用量身定制,并针对特定属性(如更高的强度、刚度或灵活性)进行了优化。例如,尼龙 11 是一种更具延展性、更坚固、更灵活的变体,玻璃填充尼龙具有增强的刚度和热稳定性,而碳填充尼龙则重量轻且性能优异。一些 SLS 和 MJF 打印机还可以使用聚丙烯 (PP) 和 TPU 或 TPE 等柔性材料进行打印。


虽然大多数 SLS 和 MJF 打印机提供多种材料,但在这些材料之间切换通常并不容易 - 对于大型工业打印机,可能需要一天或更长时间,因为必须彻底清除机器上的先前材料以避免打印错误。因此,大型 SLS 和 MJF 打印机的客户通常拥有专用于单一材料的打印机。Fuse 系列简化了此工作流程,并允许在一小时内在使用相同基础组件的材料之间进行切换,并在几个小时内在其他材料之间进行切换。


在比较当今市场上最具成本效益的选项时,最受欢迎的 MJF 打印机和最受欢迎的 SLS 平台提供相同数量的材料 - 四种。HP Jet Fusion 4200(起价 270,000 美元)提供四种材料:尼龙 12、尼龙 11、尼龙 12 玻璃填充和 TPU,而 Formlabs Fuse 1+ 30W 提供尼龙12、尼龙11、尼龙12GF粉末、尼龙11CF粉末、TPU等更多材料正在开发中。


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SLS 3D 打印可加速创新并为工程、制造和医疗保健等多个行业的企业提供支持


与任何 3D 打印技术一样,材料本身对性能影响最大,而且由于 SLS 和 MJF 零件大多是各向同性的,因此聚合物结构对强度、坚固性和耐用性影响最大。在这方面,SLS 和 MJF 打印机实际上是相同的。


工作流程


SLS 和 MJF 打印机的工作流程非常相似;粉末必须保存在受控环境中,使用配件硬件和工具进行后处理,并且对于大多数打印机来说,可以回收回新的打印件。 


传统的 SLS 打印机和 HP MJF 3D 打印机都需要进行为期多天的密集培训来进行初始设置,以便公司技术人员可以指导用户执行必要的工作流程和维护步骤。传统的工业 SLS 和 MJF 打印机都需要在每次打印之间进行持续的维护步骤,因此所有操作员都必须接受特定机器的培训。对于大多数在制造环境中拥有 3D 打印机和其他几台先进机器的大型企业来说,这并不是额外的成本。对于医疗保健环境、小型企业和教育机构来说,训练有素且可用的操作员会产生额外的成本。 


相比之下,Fuse 系列 SLS 打印机是“即插即用”的,需要在开始第一次打印之前进行一到两个小时的简单设置,或者根据需要进行虚拟培训。由于后处理的简化特性、PreForm 中直观的预打印设置、无需日常维护任务以及占地面积小,中小型企业无需全职技术人员或操作员即可添加 Fuse 系列打印机。产品设计师可以每天开始打印并进行后期处理,同时保持正常的工作流程。


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SLS 和 MJF 打印机工作流程的一个关键要素是零件回收,即清除成品零件上的多余粉末。此过程通常在清洁站(如上图所示的 Fuse Sift)使用压缩空气或介质喷射器手动完成


效率和可持续性


尽管 HP 打印机的纸张刷新率略高(需要约 20% 的新鲜粉末,而大多数 SLS 打印机需要 30%),但它们的包装密度可能要低得多,约为 10%。低堆积密度会导致大量未使用的粉末需要回收。即使具有非常高的刷新率(例如 20%),与具有高包装密度的 SLS 打印机相比,仍存在更多无法使用的粉末残留。


SLS 打印机能够实现零浪费打印工作流程,在打印过程中使用最佳包装密度并创建最佳打印环境时使用所有购买的粉末。使用 HP Jet Fusion 系列打印机,用户必须丢弃几乎与制造零件一样多的粉末。


速度和吞吐量


SLS 和 MJF 3D 打印机被誉为生产机器,能够实现高速和大批量打印,每次生产运行可以生产数百个零件。惠普的 MJF 打印机和传统的 SLS 系统都具有较大的打印量,但 HP Multi Jet Fusion 打印机的打印速度比 SLS 打印机更快 - 粘合剂的分配和红外热照射每层所需的时间比激光的扫描速度要少用于 SLS 3D 打印机。


然而,SLS 和 MJF 打印过程中持续的高温需要大型打印机更长的冷却过程,长达 48 小时。惠普为构建室提供了制冷功能,可以缩短冷却时间,但也带来了更大的占地面积和更高的成本。总体而言,这意味着 MJF 打印机通常能够比大型 SLS 打印机具有更高的吞吐量。更紧凑的 SLS 打印机(例如 Fuse 1+ 30W)的构建体积更小,这使得完整构建的冷却时间更短,仅为 14 小时,使用户能够比 MJF 和大型 SLS 客户更快地完成成品零件。


可扩展性也是一个重要方面——企业可以以与单个 HP Jet Fusion 4200 相同的价格购买八个完整的 Fuse 1+ 30W 打印机解决方案,从而实现可比的吞吐量。Fuse 1+ 30W 改进的打印速度也使上一代型号的产量增加了一倍。大多数制造商的产品不只由一种材料制成,因此在考虑吞吐量时还应考虑使用多种材料进行打印的能力。


占地面积和基础设施要求


传统的 SLS 和 MJF 打印机需要三个产品设置:插入打印机的构建室和后处理站。这三个部分共同覆盖了大量的空间,并且需要多个电源。紧凑型 SLS 打印机(如 Fuse 系列)包含 Fuse Sift 以及一体化粉末回收、清洁和回收站,可实现高效、简化的工作流程。Fuse 系列打印机也不需要专门的接线,并且可以在典型的交流电源插座上运行。


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使用 Fuse 系列 SLS 打印机扩展生产不需要专门的基础设施或大空间


SLS 与 MJF:并排比较



 台式工业 SLS(基于formlabs FUSE 1+ 30W)

 传统SLS(基于EOS的产品系列)

 MJF(基于 HP 的 MJF 3D 打印机产品系列)

优点

经济实惠的
高质量零件
高产量
多种材料选择
简化的工作流程
占地面积小
维护成本低

大构建体积
高品质零件

高产量
多种材料选择

大构建体积
高品质零件
高吞吐量
多种材料选择
全彩色打印

缺点

较小的构建体积

机械昂贵

占地面积大
设施要求
高维护成本
高材料切换复杂
需要专门的操作员

昂贵的机械
浪费
占地面积大
设施要求
高维护成本
高材料切换复杂
需要专门的操作员

适用于

小型、中型和大型企业、服务机构

大型企业、服务机构

大型企业、服务机构

最大打印尺寸

16.5 x 16.5 x 30 厘米

入门级打印机尺寸为 20 x 25 x 33 厘米,最大打印机尺寸可达 70 x 38 x 58 厘米

38 x 28.4 x 38 厘米

打印材料

尼龙12、尼龙11、尼龙12GF、尼龙11CF、TPU

尼龙12、尼龙11、尼龙12GF、尼龙12 阻燃剂、铝化物、TPU

尼龙12、尼龙11、尼龙12GF、PP、TPA、TPU

作业区域面积要求

1.5×1.5×1.7米

最小的打印机为 3.2 x 3.5 x 3.0 米,最大的打印机为 4.8 x 4.8 x 3.0 米

3.2×2.4×2.5米


结论:用于内部生产的 SLS 与 MJF 3D 打印机


当向服务机构请求零件时,无论是由 SLS 还是 MJF 打印机生产的最终产品实际上都是相同的。对于一次性零件,或者对于实现第一个产品的新企业来说,服务机构是很好的选择,SLS 和 MJF 打印机之间的差异并不重要。然而,在一定数量下,内部使用激光烧结3D打印机更具成本效益。


在比较技术规格(材料、基础设施要求)之前,每个用户都必须首先考虑初始投资成本。SLS 和 MJF 打印机使用略有不同的技术,具有不同的尺寸,并启用不同的材料库,但迄今为止最大的区别是购买价格。

 

大多数中小型企业无法承担 MJF 打印 340,000 美元的初始投资,更不用说持续的运营和服务合同成本,从而将这些机器的目标市场限制为具有可预测的大批量 3D 打印需求的大型制造商和服务机构。


SLS 比 MJF 有更多选择,而且由于工业系统之间的打印质量具有可比性,更多企业会发现更多符合其运营预算的 SLS 选项。一旦预算确定,彩色打印、材料可用性、工作流程和占地面积等因素就开始发挥更重要的作用。更紧凑的 SLS 打印机(例如 Fuse 1+ 30W)适合更适度的预算。与外包成本相比,大多数企业只需要几个月的时间就可以还清最初的购买价格。