HSS最初是由拉夫堡大學(xué)的Neil Hopkinson和贏創(chuàng)公司的Sylvia Monsheimer在21世紀初同時發(fā)明的，是一種基于粉末的3D打印工藝，類似于粘合劑噴射。它以其快速的打印速度和大型部件的生產(chǎn)能力而聞名。自2016年獲得該技術(shù)的商業(yè)化許可以來，voxeljet已經(jīng)開發(fā)了自己的HSS版本，并在2017年推出了其第一臺HSS 3D打印機。此后，該公司以VX200 HSS和VX1000 HSS等幾款由HSS驅(qū)動的3D打印機充實了其產(chǎn)品系列。

同樣，MJF也是粘合劑噴射機旗下的一個兄弟姐妹。惠普公司為功能原型和終端生產(chǎn)提供工程級的聚合物部件，在汽車和消費品等行業(yè)都有應(yīng)用。

與HSS和MJF（基于噴墨的工藝）不同，SLS是一種激光粉末床熔合的形式。該方法利用高功率激光束和掃描系統(tǒng)，在聚合物粉末床中3D打印零件。

那么HSS是如何工作的呢？它首先將一層薄薄的聚合物粉末涂在一個加熱的構(gòu)建平臺上。然后噴墨打印頭在平臺上移動，將紅外反應(yīng)墨水噴射到粉末床的選定區(qū)域。一旦暴露在紅外光下，注入墨水的粉末就會吸收熱量，燒結(jié)并融合成一個固體層，留下未打印的區(qū)域作為散粉。然后，構(gòu)建平臺被降低，新的粉末層被沉積，這個過程逐層重復(fù)，直到3D零件被打印出來。

MJF在許多方面與HSS相似。與高速鋼工藝非常相似，MJF涉及將一種吸收輻射的液體（又稱融合劑）噴射到聚合物粉末床的某些區(qū)域。其他區(qū)域的邊界，即不被打印的區(qū)域，用一種稱為細化劑的輔助液體進行冷卻。一旦噴射完成，就用一個紅外燈來輻射整個構(gòu)建區(qū)域，使沾有結(jié)合劑的部分融合。用細化劑噴射的邊界則保持不融合。

除了voxeljet的VX1000打印機的巨大尺寸外，這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于使用的液體數(shù)量。HSS不需要第二種冷卻劑，因為voxeljet的3D打印機可以獨立控制綁定和未綁定的粉末材料的溫度。他們通過使用兩個不同波長的紅外發(fā)射器來做到這一點，這意味著不需要細化劑來實現(xiàn)精確的邊緣定義。

由于其細化劑，MJF擁有1200dpi的分辨率，而HSS只有360dpi。但決定零件分辨率的關(guān)鍵因素仍然是粉末的顆粒大小，所以在這種情況下，更高的噴頭分辨率并不一定意味著更精確的零件。事實上，由于HSS的液滴比單個聚合物晶粒（通常約55微米寬）略大，它們能夠完全覆蓋晶粒之間的交叉點，這對于燒結(jié)的發(fā)生至關(guān)重要。

為了全面起見，我們還將在本評論中涉及SLS 3D打印。SLS三維打印機是這樣工作的：激光器最初將零件的第一層的二維截面掃描到粉末床上，這并不完全是融化粉末，而是將其打碎，使其融合成一個固體層。一旦第一層完成，構(gòu)建平臺向下移動，促使再涂層機在現(xiàn)有的粉末床上鋪上一層薄而均勻的材料。這種打印和重涂的循環(huán)一直重復(fù)到整個構(gòu)建完成。

最大的SLS系統(tǒng)可以打印一米范圍內(nèi)的零件，Z高度的打印速度約為48毫米/小時（取決于盒子的利用率）。

粉末床熔融生態(tài)系統(tǒng)是3D打印行業(yè)中最發(fā)達的系統(tǒng)之一，這意味著今天的工業(yè)級SLS系統(tǒng)與各種類型的聚合物粉末兼容。這包括PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK以及更多。

為了評估每種3D打印技術(shù)的機械性能，我們查看了一系列供應(yīng)商提供給我們的一些拉伸測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了每種技術(shù)的總共15個拉伸測試狗骨樣品（5個沿X軸打印，5個沿Y軸打印，5個沿Z軸打?。總€都是用PA12 3D打印，并根據(jù)ISO 527標準進行測試。

首先，為了確定哪種聚合物打印技術(shù)能產(chǎn)生最強的零件，我們看一下平均極限拉伸強度（UTS）。這是一個部件在斷裂之前所能承受的最大拉應(yīng)力。在這一輪中，是SLS打印出了平均強度最高的試樣（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是高速鋼（40.60MPa）。這三種技術(shù)對應(yīng)的最大斷裂載荷分別為1885.01N、1782.7N和1659.1N。

有趣的是，在voxeljet的官方PA12數(shù)據(jù)表中，XY的UTS值為52（+/-1）MPa，Z的UTS值為46（+/-2）MPa。造成這種差異的原因是，材料數(shù)據(jù)表中給出的數(shù)據(jù)是指針對機械數(shù)據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)的打印。相比之下，為本研究打印的狗骨是用針對精度和細節(jié)優(yōu)化的參數(shù)打印的。因此，客戶可以選擇以針對自己的應(yīng)用進行優(yōu)化的規(guī)格來打印零件，這與voxeljet提供的開源策略是一致的。

接下來是楊氏模量，它是衡量拉伸剛度的一個指標。楊氏模量越高，意味著部件越硬，在彈性負載下只發(fā)生輕微變形，而楊氏模量越低，相當于部件的彈性越強，在負載下越靈活。這一次，高速鋼產(chǎn)生了最堅硬的部件（1.82GPa），其次是SLS（1.73GPa）和MJF（1.43GPa）。

最后，我們有斷裂伸長率，這是一種延展性的測量。該測量顯示了一個零件在斷裂之前可以被拉伸多少，占其原始長度的百分比。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%）和高速鋼（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF產(chǎn)生了最多的延展性部件（14.40%），其次是SLS（9.32%），和HSS（6.36%）。

接下來，我們想比較一下每種3D打印技術(shù)的尺寸精度。為了做到這一點，我們對四個不同的零件幾何形狀進行了計量掃描，每個零件都被3D打印并掃描了三次（一次通過HSS、MJF和SLS）。我們將零件的這12次掃描與原始STL文件進行了比較，這使我們能夠計算出打印件在其表面各點上的偏差和不準確性。使用的三維掃描儀是GOM ATOS II 400，其精度為±30μm。

從計量數(shù)據(jù)來看，四個SLS打印的零件總體上是最精確的，因為它們的尺寸最接近STL模型的預(yù)期尺寸，平均偏差只有0.0084毫米。HSS的平均不精確性為0.0527毫米，而MJF則進一步落后于0.0603毫米。

然而，僅僅是平均值并不能說明全部問題?？匆幌鲁叽缯`差的標準偏差值，SLS實際上有最高的分布，為0.1232毫米。其次是MJF，為0.1074mm，而高速鋼的掃描誤差差值最小，僅為0.0925mm。因此，雖然SLS印刷的零件尺寸平均來說會更真實，但實際上是高速鋼工藝提供了最大的一致性和可重復(fù)性。

為了說明這一點，我們來仔細看看這四個幾何體中的一個（支撐支架），如上圖所示。鐘形曲線上的界限定義了99.6%的點所處的區(qū)域。例如，通過SLS 3D打印的99.6%的尺寸都在-0.366毫米和0.388毫米的預(yù)期值之內(nèi)。對于MJF，這些數(shù)字是-0.402mm和0.154mm。最后，對于高速鋼，99.6%的打印尺寸在-0.313毫米和0.155毫米的范圍內(nèi)。

值得注意的是，絕大多數(shù)高速鋼和MJF零件的尺寸都比它們的預(yù)期值小，而不是大。這可以歸因于這些3D打印方法所固有的加熱步驟，即使用紅外燈對聚合物部件進行燒結(jié)和熔化，以提高密度和強度。不幸的是，這也有縮減零件的效果，所以在打印準備過程中，最好按比例縮小尺寸以抵消這種影響。

為了進一步評估這三種工藝的打印能力，我們評估了幾個實體3D打印的基準測試。這些測試中的第一個是一套用PA12打印的三個酷刑立方體，我們很榮幸地自己組裝了這些立方體。該設(shè)計包括幾個較小的立方體，每個立方體都有一個獨特的3D打印特征，如格子幾何形狀或移動齒輪系統(tǒng)。

酷刑立方體是一個動態(tài)的打印測試，有大量的移動部件，這意味著它提供了一個很好的方法來確定三種技術(shù)之間的表面質(zhì)量差異。在這種情況下，我們觀察了每個立方體的組裝過程是否容易，立方體運動的整體流暢性，以及三種技術(shù)之間的細節(jié)分辨率。

至于3D打印的功能，高速鋼立方體的球窩接頭根本無法工作，鉸鏈可以工作，但很僵硬，而彈簧則完全按預(yù)期工作。此外，我們遇到了太多的摩擦，齒輪系統(tǒng)根本無法移動，而較大的立方體本身確實在旋轉(zhuǎn)，盡管有一些阻力。

接下來，我們組裝了SLS酷刑方塊。這一次，由于接頭處存在多余的粉末，我們在裝配六個夾角面時遇到了更多的困難。然而，由于SLS提供了更平滑的表面紋理，滑入式的角立方體更容易組裝，沒有那么多的摩擦。

看一下3D打印的特征，球窩接頭不工作，鉸鏈不工作，但彈簧工作得很好。同樣，有太多的表面與表面之間的結(jié)合，齒輪系統(tǒng)根本無法移動，但較大的立方體的組裝卻非常順利?？偟膩碚f，我們對較寬的SLS組件的流暢性印象非常深刻，因為它是最容易旋轉(zhuǎn)的。

最后，我們組裝了MJF酷刑方塊。和HSS打印的一樣，前六個面很容易就夾住了，但相對粗糙的表面紋理意味著滑入的角落部分需要一些重要的手工操作。

有趣的是，這個立方體上的3D打印特征提供了三個立方體中最好的功能。MJF組件是唯一一個有工作的球窩接頭的組件，它有最平滑的鉸鏈運動，并且彈簧如期反彈。然而，由于MJF表面的顆粒狀紋理和非故意的粘合，齒輪系統(tǒng)未能再次移動。旋轉(zhuǎn)的難易程度與高速鋼制造的類似。

當所有的事情都完成后，我們可以看到HSS和MJF的3D打印立方體明顯比SLS的立方體更有顆粒感，導(dǎo)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打印的立方體總體上提供了最好的表面質(zhì)量。

如果我們在三種技術(shù)之間比較相同的立方體，我們注意到高速鋼提供了最好的細節(jié)分辨率，提供了最精細的邊緣、最鋒利的角落和最干凈的薄壁。再往下看，SLS的同類產(chǎn)品開始變得有點模糊，在某種程度上失去了它們的銳利和清晰。最后，是MJF的變體在視覺上最為遲鈍。

為了補充審查，服務(wù)供應(yīng)商還向我們發(fā)送了四個不同的工業(yè)零件設(shè)計，用PA12 3D打印。每個模型都進行了三次3D打印：一次是通過HSS、SLS和MJF。以下零件包括一個管狀元件、一個懸架原型、一個支撐架和一個具有成套孔和塔的一般基準模型。與酷刑方塊一樣，這些3D打印部件使我們能夠定性地評估這三種工藝的性能。

看看管狀元件、支撐架和懸掛原型，我們再次看到SLS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)最光滑的表面。同樣，MJF零件是唯一有肉眼可見的層線的零件，而voxeljet的HSS 3D打印機則位于中間的某個位置。

從3D打印的基準模型中，我們可以看到，HSS變體無疑具有最精細的幾何溝槽和最清晰的文字–這證明了工藝的準確性，表明在細節(jié)分辨率方面，晶粒大小確實比dpi更重要。然而，SLS部件是唯一一個成功制造出所有塔的部件，而高速鋼和MJF則缺少最薄的尖頂。

有趣的是，MJF和SLS構(gòu)建的孔被打印成真正的圓形（它們應(yīng)該是這樣的），而HSS工藝產(chǎn)生的孔則更接近于橢圓。然而，HSS也再次產(chǎn)生了最細的邊緣和最尖銳的角落，而SLS和MJF則明顯地更鈍一些。

制造商在日常運營中實際采用這些聚合物3D打印技術(shù)的成本是多少？為了回答這個問題，我們將目光投向了幾個3D打印服務(wù)提供商。

為了比較HSS、MJF和SLS的價格，我們要求對四個不同的3D打印部件進行即時報價。我們選擇了尼龍（PA12）作為材料，并對報價進行了平均，以提供每種工藝的綜合定價情況。

有趣的是，高速鋼3D打印被證明是最具成本效益的，平均零件價格為15.82歐元。MJF緊隨其后，平均零件成本為23.89歐元（+51.0%），而SLS被證明是成本效益最低的，平均成本為27.50歐元（+73.8%）。

由于技術(shù)的相似性，在考慮初始成本時，HSS和MJF的價格實際上是相似的，但有幾個因素最終使HSS更具成本效益。首先，voxeljet VX1000 HSS的尺寸允許打印更大批次的零件，從而降低了系列生產(chǎn)中每個零件的成本。HSS還只使用一種吸收液，而MJF則依賴兩種液體。這種材料消耗上的差異進一步影響了運行成本。

就應(yīng)用而言，HSS和MJF都為汽車和消費品等行業(yè)的功能原型設(shè)計和低應(yīng)力終端生產(chǎn)提供了可行的途徑。使用案例包括電子外殼、連接器、支架、蓋子、線夾、制造指南和管道。

另一方面，SLS雖然價格較高，但適合生產(chǎn)強度較高的零件，而且是三種工藝中唯一能夠加工高性能工程聚合物（如PEEK）的工藝。因此，那些需要高強度的最終使用部件的人需要支付一定的費用，以確保他們獲得工作所需的機械性能。

那么，在聚合物3D打印技術(shù)中，你應(yīng)該選擇哪一種？像生活中的許多事情一樣，答案是：這取決于。

像HSS和MJF這樣的噴墨技術(shù)在部件強度方面并不會勝過SLS，但如果你的預(yù)算有限，而且有關(guān)部件不會承受極端的負載，HSS可能就適合你。

有趣的是，我們的測試還表明，高速鋼適合于高剛度的零件，而MJF則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，高速鋼可能是最好的選擇，而MJF應(yīng)該在需要彎曲和彈性的情況下使用。

當涉及到尺寸精度時，基于激光的SLS 3D打印勝過基于噴墨的兩種工藝，但HSS表現(xiàn)出最大的可重復(fù)性。同樣，這將取決于使用情況，但對于許多系列生產(chǎn)應(yīng)用，可重復(fù)性對于確保產(chǎn)品的可靠性和滿足某些最終質(zhì)量目標至關(guān)重要。

最終，我們建議在選擇任何一種3D打印技術(shù)之前，對成本、交貨時間、材料選擇和特定部件和應(yīng)用的機械性能要求進行全面評估。