2.3　喷墨粘粉式3DP

喷墨粘粉式3D打印技术（Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG，常被称为3DP），又称为三维印刷技术，是由美国麻省理工大学的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty所开发。之后又有许多科研人员对该技术多次进行完善和改进，终于形成了今天的三维印刷快速成型工艺。

喷墨粘粉式打印技术使用的原材料主要是粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。其主要工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将黏合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末黏结形成部件截面。接着通过不断重复铺粉、喷涂、黏结的过程，层层叠加，以获得最终需要的三维模型。

2.3.1　技术原理

3DP技术原理如图2-7所示，工作流程同上一节的LOM也非常的相似，只是在工作台上的原材料不是片材而是粉材。大概的流程便是在每一层黏结完毕后，成型缸都需下降一个距离（层厚高度），供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。

其中，黏合剂喷头负责X轴和Y轴的运动，在计算机控制下，按照下模型切片得到的截面数据进行运动，有选择地开关喷头进行黏结剂喷射，最终构成截面图案。3DP的工作原理和二维喷墨打印机非常相似，这也是三维印刷这一名称的由来。在完成单个截面图案的打印之后，打印台下降一个层厚单位的高度，同时铺粉辊进行铺粉操作，将打印台面下沉导致的凹陷处重新铺平，接着再次进行下一层截面的打印操作。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个通过黏结剂黏结的三维粉末体，将其进行后期处理后便得到了需要的成型件。

从工作方式来看，该工艺与传统二维喷墨打印最接近，并且还与后面将介绍的激光烧结（SLS）工艺一样，都是通过将粉末黏结成整体来制作零部件，不同之处在于，SLS工艺是通过激光熔融的方式黏结，而不是通过喷头喷出的黏结剂。3DP技术还有一个很大的优势在于可以给打印喷头配上墨盒，这样在喷出黏结剂时可以实时添加上各种不同的色彩，从而实现全彩色工件的打印。

2.3.2　工艺过程

目前的3DP设备多采用粉末材料作为原材料，主要有陶瓷粉末、金属粉末和塑料粉末等。然后通过黏结剂的黏力来绘制图层，受黏结剂黏力的限制，该工艺打印制作的零部件强度普遍较低，必须进行后期处理。具体打印的工艺流程如下。

（1）在上一层黏结完毕后，成型缸下降一个层厚的距离，供粉缸上升一定高度，通过平整滚筒推出一定的粉末，将工作台铺平并压实。

（2）平整滚筒铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。

（3）喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射黏结剂建造层面。

（4）如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的黏结。

（5）未被喷射黏结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

（6）将打印好的物体进行烧制等后续处理。

喷墨粘粉式3D打印工艺的精度主要受两个方面的影响：一是打印完成后通过黏结剂黏粉生产的粉末坯件精度，在打印时，喷涂黏结过程中喷射黏结剂的定位精度，液体黏结剂对粉末材料的冲击作用以及上层粉末重量对下层零件的压缩作用均会影响打印坯件的精度；另一方面还包括坯件二次加工（焙烧）的精度，后续烧制等处理会对打印坯件产生收缩和变形甚至微裂纹等影响，这些都会对最后零件的精度造成干扰。

2.3.3　技术特点

3DP技术的优势主要集中在成型速度快、无需支撑结构，而且能够打印出全彩色的产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。当前采用3DP技术的设备不多，比较典型的是ZCorp公司（已被3D Systems公司收购）的ZPrinter系列，这也是当前一些高端3D照相馆所使用的设备。ZPrinter系列高端产品Z650已能支持39万色的产品打印，色彩方面非常丰富，基本接近传统喷墨二维打印的水平。在3D打印技术各大流派中，该技术也被公认在色彩还原方面是最有前景的，基于该技术的设备所打印的产品在实际体验中也最为接近于原始设计效果。

但是3DP技术的不足也同样非常明显，首先打印出的工件只能通过粉末黏接，受黏结剂材料限制，其强度很低，基本只能作为测试原型。其次由于原材料为粉末，导致工件表面远不如SLA等工艺成品的光洁度，并且精细度方面也要差很多。所以为使打印工件具备足够的强度和光洁度，还需要一系列的后处理工序。此外，由于制造相关原材料粉末的技术也比较复杂、成本较高，所以目前3DP技术的主要应用领域都集中在专业应用上面，桌面级别的项目仅有一个PWDR在启动，但版本还处于0.1的初始状态，能否大范围推广还需要后续观察。

概括来讲，采用3DP工艺的3D打印设备，相比其他打印技术而言，其主要的优点有以下三个方面。

（1）打印速度快，无需添加支撑。

（2）技术原理同传统工艺相似，可以借鉴很多二维打印的成熟技术和部件。

（3）可以在黏结剂中添加墨盒以打印全色彩的原型。

而该工艺最致命的缺点在于成形件的强度较低，只能做概念验证原型使用，难于被用于功能性测试。

2.3.4　典型设备

目前，采用3DP技术的设备多为工业级应用的大型设备，面向普通消费者的桌面级3D打印机还未面世，图2-8是ZCorp公司生产的3DP系列打印机ZPrinter650。