工业聚合物3D打印工艺对比：HSS高速烧结、MJF多射流熔融和SLS激光烧结


文章来源：3D打印技术参考


聚合物3D打印市场正在快速增长，《Wohlers Report2022》指出，聚合物粉末的消耗量在2021年超过了光敏树脂，全年增长43.3%，成为使用最多的3D打印材料。
工业3D打印机OEM之间的竞争比以往任何时候都更加激烈，高速烧结(HSS)、多射流熔融(MJF)和选择性激光烧结(SLS)是当前聚合物粉末床3D打印的主要工艺。


HSS最初由拉夫堡大学和赢创在2000年代初同时发明，是一种类似于粘结剂喷射的基于粉末的3D打印工艺，具有快速打印和制造大型零件的特点。自2016年商业化以来，
voxeljet开发了自己的HSS装备，并于2017年推出了其第一台HSS 高速烧结3D打印机。随后几年该公司又推出多款设备，2020年发布的VX1000 HSS成型尺寸达到
了1000 x 540 mm，具有很高的自动化和高生产率，适用于大批量塑料零件的工业增材制造，是传统注塑成型经济可行的替代方案。


The voxeljet VX1000 HSS（图片来源voxeljet）


实际上，MJF技术与HSS类似，也采用喷墨+熔融成型。惠普为功能性原型设计和最终用途生产提供工程级塑料部件，在汽车和消费品等行业中得到应用。


与基于喷墨的HSS和MJF工艺不同，SLS采用激光实现粉末床熔融。传统上采用10.6μm激光配合扫描振镜实现粉末烧结。但近些年来，3D打印技术参考观察到该技术
的代表企业开发了一些新形势，如华曙高科通过对材料进行调配，能够使用1.06μm的光纤激光进行烧结，而EOS也在开发基于百万二极管激光器的LaserProFusion
多点同时烧结结技术。


由于所有工艺都具有相似的特性和表面质量，因此这些聚合物3D打印技术被视为竞争对手的情况并不少见。国外3D Printing Industry的工程师对这三种技术
进行了详细对比。


喷墨之战：HSS vs MJF



HSS高速设计是如何工作的呢？它首先在加热的构建平台上铺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喷射红外反应墨水以选择粉末床的区域。
在红外光的照射下，注入墨水的粉末会吸收热量，将其烧结并熔化成固体层，未喷墨的部位因未能吸收足够的热量而保持松散。以此逐层打印，直到打印出整个部件。


MJF在许多方面与HSS相似。MJF也是将吸收辐射的流体（又称融合剂）喷射到聚合物粉末床的零件截面区域，并在零件边界喷射细化剂以防止零件截面外的粉末固化。
喷射完成后，使用红外灯照射整个构建区域，浸入墨水的部分熔化，细化剂喷射的边界保持未融合。


这两种技术的主要区别在于使用的墨水数量。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
两个具有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处理剂来实现精确的边缘。


两种控制手段带来的结果也不同，MJF拥有1200dpi的分辨率，而HSS仅能达到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
的打印头分辨率并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（通常约为55μm宽），它们能够完全覆盖颗粒之间的交叉点，这对于烧结
来说至关重要。


HSS和MJF的分辨率比较（图片来自voxeljet）


3D打印技术参考查询到，MJF系统的最大构建体积为380 x 284 x 380mm，而voxeljet VX 1000 HSS的最大构建体积为1000 x 540 x mm（用于PA12）。
VX 1000 HSS在
打印速度方面也独树一帜，高达7300cm³/h。另一方面， MJF最高效的3D打印机的打印速度为5058cm³/h。


这两种工艺的另一个主要区别是HSS的3D打印开源策略。voxeljet客户能够自由地访问他们机器的所有工艺参数，毫无阻碍地根据自己的材料调整打印参数。
这可以显著节省成本，因为用户直接与材料供应商协商自己的粉末价格。用户可尝试的聚合物种类可以很多，包括PA12、TPU和PP，这些材料有的已上市，
有的即将上市。此外，成功的概念验证包括PA613、PEBA和EVA。


相比之下，MJF 3D打印机能够打印PA12、PA11和PP。这两种技术都允许对未打印的粉末材料进行回收和再加工。


MJF3D打印机的构建室（图片来源Protolabs）


聚合物粉末床3D打印的传统工艺——SLS激光烧结


对于SLS 3D打印工艺，在高温预热条件下，激光扫描到粉末床中，粉末并没有完全熔化，而是将其烧结到足以融合在一起形成固体层的程度。最大的SLS系统
可以打印米级范围内的零件，Z高度打印速度约为48mm/小时（取决于空间利用率）。


粉末床烧结系统是工业聚合物3D打印的主流工艺，可与各种聚合物粉末兼容，如PA6、PA11、PA12、TPU、PP、PAEK、PEEK等等。


EOS工业聚合物3D打印机的构建室（图片来源EOS）



HSS vs MJF vs SLS：机械性能对比


为了评估每种3D打印技术的机械性能，工程师查看了一系列供应商提供的一些拉伸测试数据。数据涵盖每种技术的总共15个拉伸测试试样（沿X、Y、Z轴各打印5个），
所采用的的材料为PA12，并根据ISO527标准进行测试。


首先，为了确定哪种技术可以生产出强度最高的部件，工程师查看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。在这一轮中，平均打印强度
最高的试样是SLS（45.17MPa），其次是MJF（43.10MPa），然后是HSS（40.60MPa）。三种技术对应的最大断裂负载分别为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±1MPa，Z的UTS值为46±1MPa。差异的原因是材料数据表是指具有针对机械数据优化的工艺参数的打印件。
相比之下，为这项研究打印的试样所选用的参数优先侧重了精度和细节。因此，客户可以选择打印具有针对他们自己的应用优化的参数。


接下来是杨氏模量，它可以显示拉伸刚度。较高的杨氏模量意味着较硬的部件在弹性载荷下仅略微变形，而较低的杨氏模量对应于在载荷下具有柔韧性的弹性较大的部件。
这一次，HSS零件最佳，达到1.82GPa，其次是SLS 1.73Gpa和MJF 1.43Gpa。


最后测试了断裂伸长率，它可以显示材料的延展性。测量显示零件在断裂之前可以拉伸多少，以原始长度的百分比表示。有趣的是，在XY平面上，SLS打印的延展性最高
（17.53%），其次是MJF（16.87%）和HSS（8.88%）。然而，在Z平面上，MJF生产的延展性零件最多（14.40%），其次是SLS（9.32%）和HSS（6.36%）。


HSS vs MJF vs SLS：尺寸精度对比


接下来，工程师比较了每种3D打印技术的尺寸精度。对四种不同的零件几何形状进行了三次扫描。将零件的这12次扫描与原始STL文件进行了比较，能够计算打印件表面各个
点的偏差和不准确性。使用的3D扫描仪的精度为±30μm。


对比发现,整体最精确的是四个SLS打印部件,它们的尺寸最接近STL模型的预期尺寸,平均偏移仅为0.0084mm。HSS的平均偏差0.0527mm，而MJF则进一步靠后,为0.0603mm。


然而，仅靠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实际上具有最高的扩散度，为0.1232mm。紧随其后的是0.1074mm的MJF，而HSS的扫描误差之间的
分布最小，仅为0.0925mm。因此，虽然SLS打印部件的尺寸通常更符合尺寸，但实际上是HSS工艺提供了最大的一致性和可重复性。


计量测试结果（图片来自3D Printing Industry）


工程师仔细研究了四个几何形状之一的支架。钟形曲线的边界定义了99.6%的点所在的区域。例如，通过SLS 3D打印的99.6%的尺寸在其预期值的-0.366mm和0.388mm范围内。
对于MJF，这些数字是-0.402mm和0.154mm。最后，对于HSS，99.6%的打印尺寸在其预期值的-0.313mm和0.155mm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，其中聚合物部件使用红外烧结和熔合以增加密度和强度。
然而，这也会导致零件尺寸缩小，因此最好在打印准备期间缩放零件的尺寸以抵消这种情况。


HSS vs MJF vs SLS：技术基准测试


对技术进行基准测试：表示细节分辨率的特殊立方体


为了进一步评估这三个过程的打印能力，工程师评估了几个物理3D打印基准测试。这些测试中的第一个是一组三个用PA12打印的立方体。该设计包括几个较小的立方体，
每个立方体都具有独特的3D打印特征，例如晶格几何形状或移动齿轮系统。


立方体是一种动态打印测试，包含大量移动组件，这意味着它提供了一种很好的方法来确定三种技术之间的表面质量差异。在这种情况下，工程师研究了每个立方体的组装
过程的容易程度，立方体运动的整体流动性以及三种技术之间的细节分辨率。

3D打印的立方体-MJF（左）、SLS（中）、HSS（右）

（图片来自3D Printing Industry）



在组装HSS立方体的时候，前六个面完全没有用力就被夹住了。需要滑动而不是夹住的角件由于摩擦而更难以插入到位，其中一些需要使用螺丝刀。


至于3D打印的特征，HSS立方体的球窝接头根本不起作用，铰链起作用但很硬。此外，工程师还遇到了太多的摩擦，齿轮系统根本无法移动，而较大的立方体本身
确实旋转了，但有一些阻力。


仔细观察一些更复杂的立方体元素,工程师注意到HSS部件在残留粉末方面是最干净的.事实上,在晶格几何形状的空腔中找不到任何松散的粉末,因此不需要额外的后处理。



（图片来自3D Printing Industry）


接下来工程师组装了SLS立方体。这一次由于里面存在过多的粉末,工程师在六个夹入面面临更多困难。然而由于SLS提供的更光滑的表面纹理,滑入式角块更容易组装而没有太多的摩擦。


查看3D打印的特征，球窝接头不起作用，铰链不起作用，但弹簧工作正常。同样，齿轮系统的表面对表面粘合过多，根本无法移动，但较大的立方体组件尽可能光滑。总的来说，工程师对

更宽的SLS组件的流动性印象深刻，因为它最容易旋转。


由于晶格结构中存在少量残余尼龙粉末，工程师不得不对SLS构建进行一些小的额外后处理。这涉及在组装之前吹出空腔并手动摇出立方体元素。



（图片来自3D Printing Industry）


最后，工程师组装了MJF立方体。就像HSS打印的一样，前六个面很容易被夹住，但相对粗糙的表面纹理意味着滑入角件有一些费力。


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组件是唯一具有工作球窝接头的组件，它有最平稳的铰链运动，并且弹簧按预期反弹。然而，
由于MJF表面的颗粒状纹理和粘合，齿轮系统未能再次移动。其旋转的特性与HSS零件相似。


与SLS立方体非常相似，工程师在单个元素中发现了少量残留粉末。同样，工程师必须在组装MJF零件之前去除一些粉末，特别是通过吹出空腔并手动摇出立方体。






综上所述,工程师可以看到HSS和MJF 3D打印立方体的颗粒明显比SLS大,导致表面纹理更粗糙。对MJF立方体,工程师还可以看到层纹,这意味着HSS和SLS打印提供了最佳的
整体表面质量。


如果工程师比较三种技术之间的相同立方体，工程师会注意到HSS提供了最佳细节分辨率，提供最精细的边缘、最锐利的角和最干净的薄壁。SLS零件开始变得有点模糊，有些失去了
清晰度。最后，MJF零件在视觉上最生硬。


对技术进行基准测试：工业零件


为了补充审查，服务提供商还向工程师发送了四种不同的工业零件设计，用PA12 3D打印。每个模型都进行了3次3D打印：分别通过HSS、SLS和MJF。以下零件包括油管元件、悬挂原型、
支架和具有多组孔和塔的通用基准模型。就像立方体一样，这些3D打印部件使工程师能够定性地评估三种工艺的性能。


左-HSS，中-SLS，右-MJF：



















（图片来自3D Printing Industry）


查看管道元件、支架和悬挂原型，工程师再次看到SLS工艺能够实现最光滑的表面。同样，MJF零件是唯一具有肉眼可见层纹的零件。


从3D打印的基准模型中，工程师可以看到HSS零件具有最精细的几何凹槽和最清晰的字迹——这证明了该过程的准确性，表明在细节分辨率方面，粉末颗粒尺寸确实比dpi更重要。
SLS是唯一成功制造所有尖塔的工艺。


有趣的是，MJF和SLS构件上圆孔具有最高的保形度，而HSS工艺产生的孔更接近于椭圆。HSS再次提供了最好的边缘和最锐利的角，而SLS和MJF明显更钝。


HSS vs MJF vs SLS：零件制造成本和应用场景对比


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，工程师寻找了几家3D打印服务提供商。


为了比较HSS、MJF和SLS的价格，工程师要求提供四种不同3D打印部件的即时报价。工程师选择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情况。


HSS工艺被证明最具成本效益,平均零件价格为15.82欧元。MJF平均零件成本为23.89欧元（+51.0%）,而SLS被证明是成本效益最低的,平均成本为27.50欧元（+73.8%）。


由于技术的相似性，HSS和MJF在考虑初始成本时实际上定价相似，但有几个因素最终使HSS更具成本效益。首先，voxeljet  VX 1000 HSS允许打印更大批量的零件，
从而降低了批量生产中每个零件的成本。HSS也仅使用一种墨水，而MJF则依赖两种，这种材料消耗的差异进一步影响了成本。


就应用而言,HSS和MJF都为汽车和消费品等行业的功能原型设计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,SLS虽然价格更高,但适用于更高强度的零件,并且是三种能够加工PEEK等高性能工程聚合物的唯一一种。不过,3D打印技术参考曾分析过,如PEEK这样的高温聚合物
需要专用的SLS 3D打印机才能够烧结。高强度最终用途组件市场愿意支付更高费用，以获得所需的机械性能。


通过对三种工艺的综合对比，应该选择哪种聚合物3D打印技术呢？答案当然是视情况而定。


HSS和MJF喷墨技术在零件强度方面不如SLS，但如果预算有限,并且相关组件不会承受极端负载,那么HSS可能更适合。工程师的测试还表明,HSS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也是如此。因此，当需要零件在受力或非均匀温度下变形最小时，最好使用HSS，而在需要弯曲和柔韧性的情况下应使用MJF。




在尺寸精度方面，基于激光的SLS工艺最佳，但HSS表现出最大的可重复性。同样，这将取决于最终应用。但对于许多系列生产应用，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。




最终，工程师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、交货时间、材料选择和机械性能要求进行全面评估。