增材制造
——3D打印的正稱

余前帆

(全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會，北京 100717)

近來，3D打印這一名詞頻頻出現(xiàn)在有關(guān)科技創(chuàng)新的新聞報(bào)道中，越來越多的讀者開始注意到3D打印技術(shù)和3D打印機(jī)。這種數(shù)字化信息技術(shù)與新材料的結(jié)合，被西方媒體譽(yù)為將帶來“第三次工業(yè)革命”的新技術(shù)，已經(jīng)開始撼動傳統(tǒng)的制造行業(yè)，必將催生以定制式數(shù)字制造為特征的新時代。為了使讀者對3D打印技術(shù)有所了解，我們在這里對3D打印技術(shù)及相關(guān)名詞和概念進(jìn)行簡要的介紹。

一 三維打印概念的起源

從構(gòu)詞結(jié)構(gòu)上看，3D打印是包含英文字母的漢語字母詞，并不是一個規(guī)范的術(shù)語。它的英文全稱為three dimensional printing(簡稱為3D printing或3DP)，中文名稱應(yīng)為三維打印，也有資料譯作三維印刷。三維打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代的美國，中國從1991年開始研究三維打印技術(shù)，當(dāng)時的名稱叫快速原型技術(shù)(rapid prototyping，RP)，即開發(fā)樣品之前的實(shí)物模型。

三維打印作為科技名詞具有狹義和廣義兩種概念。狹義上的三維打印在業(yè)內(nèi)專指快速成型制造的一種工藝，它是于20世紀(jì)80年代由美國麻省理工學(xué)院教授伊曼紐爾·薩克斯(Emanuel M.Sachs)和他的學(xué)生保羅·威廉姆斯(Paul Williams)發(fā)明的。這種工藝的流程是，先鋪好粉末，然后用噴墨打印機(jī)的方式噴出黏結(jié)劑，反復(fù)操作，最后打印出產(chǎn)品。

二 廣義的規(guī)范名稱:增材制造

為便于快速原型制度技術(shù)的推廣和公眾的接受，業(yè)界把這一類基于離散——堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系，統(tǒng)稱為三維打印，也就是廣義上的三維打印，但是在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和政府文件里則稱為增材制造(additive manufacturing，AM;英文也曾寫作 material increase manufacturing，MIM)［1］。

通俗地講，增材制造是相對傳統(tǒng)制造業(yè)采用的減材制造而言的。減材制造就是通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對原材料進(jìn)行定型、切削、去除，從而最終生產(chǎn)出成品。與減材制造方法正相反，增材制造是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，它將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，就好比用磚頭砌墻，逐層增加材料，最終形成物件。它是一種“自下而上”的制造方法，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床、眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。從技術(shù)上說，增材制造技術(shù)具有數(shù)字制造、降維制造、堆積制造、直接制造、快速制造等五大技術(shù)特征①。增材制造技術(shù)的核心是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合，它是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。

近二十年來，增材制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展，早期出現(xiàn)過快速制造(rapid manufacturing，RM)、快速原型(rapid prototyping，RP)、快速原型制造(rapid prototype manufacturing，RPM)、分層制造技術(shù)(layered manufacturing technology，LMT)、實(shí)體自由制造(solid free-form fabrication，SFF)等不同的名稱，從不同側(cè)面表達(dá)了這一技術(shù)的特點(diǎn)。增材制造技術(shù)將會廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、航空航天、國防、醫(yī)療、建筑設(shè)計(jì)、產(chǎn)品原型、文物保護(hù)、制造業(yè)、食品、汽車制造、配件、飾品等領(lǐng)域。

三 增材制造技術(shù)的工藝類型

增材制造技術(shù)結(jié)合了眾多當(dāng)代高新技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)等，并將隨著技術(shù)的更新而不斷發(fā)展。自1986年出現(xiàn)至今，短短二十幾年，世界上已有大約二十多種不同的成型方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現(xiàn)。三維打印機(jī)采用的增材制造技術(shù)的主要工藝有:立體光刻、分層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、激光工程化凈成型、無模鑄型制造和三維打印等。

立體光刻(stereo lithography，SLA)，也有資料譯成光固化、光造型。這種工藝是由美國的查爾斯·赫爾(Charles Hull)于20世紀(jì)80年代發(fā)明，1986年美國3D Systems公司推出商品化樣機(jī)SLA-1，這是世界上第一臺快速原形系統(tǒng)。其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充滿液槽，由計(jì)算機(jī)控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地黏在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到一個三維實(shí)體模型。該工藝的特點(diǎn)是原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點(diǎn)是需要支撐，樹脂收縮會導(dǎo)致精度下降，另外樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等［2］。

分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing，LOM)，也有資料譯成疊層實(shí)體制造。這種工藝由美國Helisys公司的邁克爾·費(fèi)金(Michael Feygin)于1986年研制成功。其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片黏結(jié)成三維實(shí)體。其工藝過程是首先鋪上一層箔材，如紙、塑料薄膜等，然后用激光在計(jì)算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地黏結(jié)在已成型體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。由于該工藝材料僅限于紙或塑料薄膜，性能一直沒有提高，因而逐漸走入沒落，大部分機(jī)構(gòu)已經(jīng)或準(zhǔn)備放棄該工藝。

選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)，也有資料譯成激光選區(qū)燒結(jié)。這種工藝最早由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究員德卡德(C.R.Dechard)于1989年研制成功。該工藝常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成型材料。其工藝過程是先在工作臺上鋪上一層粉末，在計(jì)算機(jī)控制下用激光束有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實(shí)心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。

熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，也有資料譯成混合沉積建模、熔融擠出成型。這種工藝由美國學(xué)者在1988年首次提出，美國Stratasys公司在1992年開發(fā)推出第一臺商業(yè)機(jī)型。其工藝過程是以熱塑性成型材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運(yùn)動一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實(shí)體模型或零件。該工藝的特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡單，制造成本低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需要幾個小時即可成型，且無污染［3］。

激光工程化凈成型(laser engineered net shaping，LENS)，也有資料譯成激光近形制造技術(shù)或者激光近凈成型技術(shù)。這種工藝是由美國Sandia國立實(shí)驗(yàn)室首先提出的。它將選擇性激光燒結(jié)工藝和激光熔覆工藝(laser cladding)相結(jié)合，快速獲得致密度和強(qiáng)度均較高的金屬零件。選擇性激光燒結(jié)工藝如前所述。激光熔覆工藝是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。激光工程化凈成型工藝既保持了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)成型零件的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其成型零件密度低、性能差的缺點(diǎn)［4］。

無模鑄型制造(patternless casting manufacturing，PCM)是由清華大學(xué)激光快速成型中心于1997年開發(fā)研制。其工藝過程是首先從零件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型得到鑄型CAD模型。通過計(jì)算機(jī)分層得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。造型時，第一個噴頭在每層鋪好的型砂上噴射黏結(jié)劑，第二個噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑，兩者發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，一層層固化型砂而堆積成型。在得到的砂型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。該工藝的特點(diǎn)是制造時間短，無需木模，一體化造型，型和芯同時成型，可制造含自由曲面、曲線的鑄型［5］。

三維打印工藝，即上文所說的由伊曼紐爾·薩克斯教授等人發(fā)明的一種快速原型制造工藝。三維打印工藝與選擇性激光燒結(jié)工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用黏結(jié)劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。具體工藝過程如下:上一層黏結(jié)完畢后，成型缸下降一個距離，供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按照下一個建造截面的成型數(shù)據(jù)有選擇地噴射黏結(jié)劑建造層面。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射黏結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的黏結(jié)。未被噴射黏結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，成形結(jié)束后易于去除［6］。

四 三維打印技術(shù)的延伸:四維打印

當(dāng)人們正在為三維打印技術(shù)感到驚嘆的時候，科研人員緊接著又推出了四維打印技術(shù)。2013年2月在美國洛杉磯舉辦的“2013科技、娛樂、設(shè)計(jì)大會”上，來自美國麻省理工學(xué)院自我組裝實(shí)驗(yàn)室的斯凱勒·蒂比茨(Skylar Tibbits)向人們展示了四維打印技術(shù)。

四維打印(four dimensional printing，4DP)，俗稱4D打印。四維打印是由麻省理工學(xué)院與三維打印技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)Stratasys公司的教育研發(fā)部門合作研發(fā)的，是一種無需打印機(jī)器就能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。所謂第四維度指的是時間，就是在三維打印的基礎(chǔ)上增加時間元素。人們可以通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定模型和時間，讓物體隨著時間的推移自我進(jìn)行變化，按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)自動變形成相應(yīng)的形狀。四維打印的關(guān)鍵材料是記憶合金，準(zhǔn)確地說，四維打印是一種能夠自動變形的材料，直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動折疊成相應(yīng)的形狀。與之前三維打印概念相比，四維打印具備更大的發(fā)展前景。

注釋:

①參見張人佶2013在山西新產(chǎn)業(yè)革命國際論壇——數(shù)字制造、能源互聯(lián)網(wǎng)和高性能計(jì)算的發(fā)言《增材制造的技術(shù)特征及發(fā)展?jié)摿Α贰?/p>

［1］林峰，牛祿青.3D打印“真面目”［J］.新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2013(4):38－42.

［2］洪嘯吟，孟懷東，陰金香.立體光刻技術(shù)［J］.感光科學(xué)與光化學(xué)，1997，15(3):276 －286.

［3］張慧杰，胡國清，劉文艷，等.快速原型技術(shù)研究綜述［J］.機(jī)械，2004，31(6):1 －7.

［4］尚曉峰，劉偉軍，王天然，等.激光工程化凈成形技術(shù)的研究［J］.工具技術(shù)，2004，38(1):22－25.

［5］智造網(wǎng).無模鑄型制造技術(shù)(PCM)——制作大型鑄件的快速成型工藝［EB/OL］.(2012－11－09).http://www.idnovo.com.cn/special/2012/1109/article_1293.html.

［6］胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印:從想象到現(xiàn)實(shí)［M］.賽迪研究院專家組，譯.北京:中信出版社，2013:79－85.