3D打印技術(shù)及其應用發(fā)展研究

重慶工商職業(yè)學院電子信息工程系 張 曼

1.前言

近來，三維（3D）打印技術(shù)[1]在發(fā)達國家興起，前不久在網(wǎng)上流傳的3D打印手槍，引來許多網(wǎng)友圍觀。3D打印現(xiàn)在已不再只是概念產(chǎn)物，全球已有不少公司推出了個人3D打印機，它已在平常生活中開始普及。2012年4月，英國《經(jīng)濟學人》刊文認為，3D打印技術(shù)將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動第三次工業(yè)革命的實現(xiàn)。傳統(tǒng)制造技術(shù)是“減材制造技術(shù)”，3D打印則是“增材制造技術(shù)”，它具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢。

2.3D打印機的原理及技術(shù)

2.1 3D打印機

3D打印機是近年來在民用市場出現(xiàn)的一個新詞。在專業(yè)領域有另一個名稱叫“快速成形技術(shù)”[2]?？焖俪尚渭夹g(shù)誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種全新制造技術(shù)。它集分層制造技術(shù)、機械工程、數(shù)控技術(shù)、CAD、激光技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料科學于一體，可以直接、快速、自動、精確地將設計電子模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種低成本而高效的實現(xiàn)手段?？焖俪尚渭夹g(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。

不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是基本原理一樣，那就是“分層制造，逐層疊加”[3]，類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺“立體打印機”，因此得名。

2.2 3D打印機的原理

3D打印機根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。

每個截面數(shù)據(jù)相當于醫(yī)學上的一張CT像片；整個制造過程就像一個“積分”的過程。

整個過程是在電腦的控制下，由3D打印系統(tǒng)自動完成的。不同公司3D打印使用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長法”。

2.3 3D打印技術(shù)

2.3.1 SLA技術(shù)

光固化成型法（SLA）是用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。SLA是最早實用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹脂原料。其工藝過程是，首先通過CAD設計出三維實體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M行切片處理，設計掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺的運動；激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，當一層加工完畢后，就生成零件的一個截面；然后升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型。將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。

2.3.2 SLS技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層，層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結(jié)固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉?？刂萍す馐賿呙锜Y(jié)新層。如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。

與其它3D打印機技術(shù)相比，SLS最突出的優(yōu)點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無需設計和制造復雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應用廣泛。

2.3.3 PDM技術(shù)

熔積成型（FDM）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。

該技術(shù)污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能相當于工程塑料或蠟模；主要用于塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

2.3.4 LOM技術(shù)

分層實體制造法（LOM），又稱層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。

LOM技術(shù)的優(yōu)點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。成形材料主要是涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件性能相當于高級木材；主要用途是快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。

3.3D打印技術(shù)的市場應用及發(fā)展方向

3.1 建筑設計領域

建筑模型的傳統(tǒng)制作方式，漸漸無法滿足高端設計項目的要求。全數(shù)字還原不失真的立體展示和風洞及相關(guān)測試的標準，現(xiàn)如今眾多設計機構(gòu)的大型設施或場館都利用3D打印技術(shù)先期構(gòu)建精確建筑模型來進行效果展示與相關(guān)測試[4]，3D打印技術(shù)所發(fā)揮的優(yōu)勢和無可比擬的逼真效果為設計師所認同。

3.2 磨具制造領域

玩具制作等傳統(tǒng)的模具制造領域[5]，往往模具生產(chǎn)時間長，成本高。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。3D打印技術(shù)在模具制造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用3D打印技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復制得到所需要的模具。

3.3 醫(yī)學領域

在醫(yī)學領域的應用近幾年來，人們對3D打印技術(shù)在醫(yī)學領域的應用研究較多。以醫(yī)學影像數(shù)據(jù)為基礎，利用3D打印技術(shù)制作人體器官模型，對外科手術(shù)有極大的應用價值，近年來許多醫(yī)院推出3D打印胎兒服務。

3.4 航空航天領域

在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗（即風洞實驗）是設計性能先進的天地往返系統(tǒng)（即航天飛機）所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用3D打印技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由3D打印設備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。

3.5 家電和食品領域

3D打印技術(shù)在國內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應用，使許多家電企業(yè)走在了國內(nèi)前列。美的、華寶、小天鵝、海爾等都先后采用3D打印技術(shù)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。

3D打印在食品領域也有成功的應用。做成的鮮肉特別有彈性，而且烹飪后肉質(zhì)松散有嚼頭，絲毫不遜于真正的肉，就連肉里的微細血管都能打印出來。人們吃到“3D肉”的日子不會太遠，因為美國泰爾基金會近日已投資成立了“鮮肉3D打印技術(shù)公司”，希望能夠為大眾提供安全放心的豬肉產(chǎn)品。這種利用糖、蛋白質(zhì)、脂肪、肌肉細胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉類相似的口感和紋理，就連肉里的微細血管都能打印出來。

4.總結(jié)

3D打印是產(chǎn)業(yè)界自主創(chuàng)新的過程，政府主要負責引導方向，要讓民營企業(yè)有充分的自主發(fā)展空間，同時對一些敏感行業(yè)或者產(chǎn)品要加強監(jiān)管。3D打印技術(shù)市場潛力巨大，勢必成為引領未來制造業(yè)趨勢的眾多突破之一。這些突破將使工廠徹底告別車床、鉆頭、沖壓機、制模機等傳統(tǒng)工具，改由更加靈巧的電腦軟件主宰，這便是第三次工業(yè)革命的到來的標志[6]。在這種勢頭下，傳統(tǒng)的制造業(yè)將逐漸失去競爭力。

[1]古麗萍.蓄勢待發(fā)的3D打印機及其發(fā)展[J].北京：數(shù)碼印刷,2011(10)：64-67.

[2]丁軍濤.快速成形技術(shù)在企業(yè)實際生產(chǎn)中的應用[J].陜西：科技探索,2012(8).

[3]鄭利文.Objet Geometries公司推出多種復合材料3D打印機[J].北京：模具工業(yè),2008(2)：73.

[4]梁晨光.3D打印技術(shù)縱覽“印”出來的真實世界[J].北京：微型計算機,2008(6)：106-109.

[5]喬益民,王家民.3D打印技術(shù)在包裝容器成型中的應用[J].重慶：包裝工程,2012(11)：68-72.

[6]丁博強.3D打印推動第三次工業(yè)革命[J].上海：創(chuàng)意產(chǎn)業(yè),2013(2).