3D打印技術(shù)探究

牛一帆

（山東省濟(jì)寧市技師學(xué)院）

3D打印技術(shù)探究

牛一帆

（山東省濟(jì)寧市技師學(xué)院）

3D打印技術(shù)是將三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機(jī)把粉末狀、液狀或絲狀可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)。文章對3D打印的技術(shù)原理、步驟、常用材料、主要技術(shù)、發(fā)展及建議進(jìn)行了深層次的探討。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)有很多優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域。該技術(shù)將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。

3D打印 三維數(shù)字模型 平面切片 疊加成型 模型制造

引言

3D打印技術(shù)（Three Dimensions Printing Technology）是快速成形技術(shù)的一種，它是將計算機(jī)設(shè)計出的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機(jī)把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷或砂等可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)［1］。該技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模的個性化生產(chǎn)，可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形。并且可以實現(xiàn)首件的凈型成形，大大減小了后期的輔助加工量，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度。另外，由于其制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量生產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)［2］。這些優(yōu)勢使3D打印成為一種潮流，目前已在建筑、工業(yè)設(shè)計、珠寶、鞋類、模型制造、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革，同時它也是第三次工業(yè)革命中數(shù)字化制造的重要標(biāo)志。3D打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個具有廣闊前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。

1 3D打印的技術(shù)原理及步驟

1.1 原理

3D打印技術(shù)是以計算機(jī)三維設(shè)計模型為藍(lán)本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細(xì)胞組織等材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備，它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”相反，3D打印遵從的是加法原則，即“逐層疊加”原則，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床，能實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，從而大幅降低了生產(chǎn)成本和縮短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，減少了對環(huán)境的影響，并且能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計制造，成型產(chǎn)品的密度也更加均勻。

圖1 3D創(chuàng)平常方法難以達(dá)到的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 3D printing technology which cannot be achieved by common method

1.2 步驟

輔助設(shè)計人員使用計算機(jī)建模軟件制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，再根據(jù)模型自動分析出打印的工序，之后按下“打印”鍵，3D打印機(jī)就可以把它們打印出來。3D打印與傳統(tǒng)打印原理是一樣的，只是所用的打印原材料不一樣，傳統(tǒng)打印用的是“墨水”，而用于3D打印的原材料則必須是能夠液化、粉末化、絲化的塑料、金屬、陶瓷或砂等，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

1.2.1 三維設(shè)計

三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維立體模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。3D設(shè)計軟件是3D打印的數(shù)據(jù)源頭，3D打印所需的模型是由3D設(shè)計軟件創(chuàng)建的，國內(nèi)的3D設(shè)計軟件包括CAD、中望3D、CAXA等。雖然目前3D打印的專用軟件不少，但更為直觀、簡單、實用的3D打印專用軟件還有待開發(fā)。

1.2.2 切片處理

3D打印與激光成型技術(shù)一樣，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。每一層的打印過程分為兩步［3］，首先打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

1.2.3 完成打印

3D打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，但在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣，要獲得更高分辨率的物品可以先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

圖3 3D打印過程Fig.3 Processes of 3D printing

2 3D打印的常用材料及主要技術(shù)

2.1 3D打印的常用材料

2.1.1 全彩色石膏材料

材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結(jié)合在一起，同時用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來的產(chǎn)品堅硬，稍脆，但它是唯一一個可以打印全彩色的材料［4］，打印出來的樣品色彩亮麗，栩栩如生。

2.1.2 工程塑料

工程塑料是被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。主要有以下三種。

2.1.2.1 PC材料

它是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強(qiáng)度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。

2.1.2.2 PC－ISO材料

它是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復(fù)，牙科等專業(yè)領(lǐng)域。

2.1.2.3 PC－ABS材料

它是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車，家電及通信行業(yè)。

2.1.3 光敏樹脂

由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250－300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，一般為液態(tài)。一般用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等的材料。主要有以下三種。

2.1.3.1 Somos 19120材料

它是粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?，避免開模具的風(fēng)險，大大縮短周期。擁有低留灰燼和高精度等特點。

2.1.3.2 Somos 11122材料

它是半透明材質(zhì)，類ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學(xué)研究、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計等行業(yè)。

2.1.3.3 Somos Next材料

它是白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的部件擁有最先進(jìn)的剛性和韌性結(jié)合。

3D打印常用的材料還有尼龍材料、金屬材料、石蠟材料、橡膠材料、生物材料等。

2.2 3 D打印的主要技術(shù)

2.2.1 SLA立體光固化成型技術(shù)

該技術(shù)的原理是用特定波長與強(qiáng)度的“光”聚焦到“光固化材料”表面，從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態(tài)光敏樹脂。特點是成形速度較快，精度相對較高，外形表面非常好。主要用于制造多種模具、模型。

2.2.2 FDM容積成型技術(shù)

其原理是將絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，微噴頭作x－y平面運動，將熔融的材料涂覆在成型的“作品”上，冷卻后便完成一層圖形的制作。使用的材料是絲狀材料（石蠟、金屬、工程塑料、低熔點合金絲）。特點是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，復(fù)雜程度原型僅需要幾個小時即可成型。主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?/p>

2.2.3 LOM分層實體制造技術(shù)

其原理是激光切割系統(tǒng)按照計算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓，切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有熱敏膠的纖維紙等。特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。

2.2.4 3DP三維粉末粘接技術(shù)

其原理是先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終工件。使用的材料是粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點是成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，目前其他技術(shù)比較難以實現(xiàn)。主要應(yīng)用在專業(yè)領(lǐng)域。

2.2.5 SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

其原理是先鋪一層粉末材料，控制激光束有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，使粉末材料溫度升至熔化點，被燒結(jié)部分便固化形成圖形，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。使用的材料是金屬粉末材料（Ni基合金混銅粉、Ti、Fe、Cu粉末等）。特點是成品精度好、強(qiáng)度相對較高，最主要的優(yōu)勢在于金屬成品的制作。主要應(yīng)用在高端制造領(lǐng)域。

3 3D打印技術(shù)的發(fā)展及建議

3.1 發(fā)展

3D打印技術(shù)最早可追溯至1984年，世界上第一臺3D打印機(jī)誕生于1986年，引起關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)則是近幾年的事。美國政府已將人工智能、3D打印、機(jī)器人作為重振美國制造業(yè)的三大支柱，其中3D打印是第一個得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。我國工信部也正在組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略、3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。目前，華中科技大學(xué)史玉升科研團(tuán)隊經(jīng)過十多年的努力，已研發(fā)出全球最大的“3D打印機(jī)”，這一“3D打印機(jī)”可加工零件長寬最大尺寸均達(dá)到1.2米。與此同時，民用3D打印機(jī)市場也在快速崛起，3D打印機(jī)制造廠商也在不斷增多［5］。

目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、試制及快速打印成形；個性化產(chǎn)品設(shè)計及快速打印制造；模型制造；醫(yī)療行業(yè)；建筑業(yè)；汽車制造業(yè)；航空航天；食品產(chǎn)業(yè)；教育科研；軍事等行業(yè)中［6］。從長遠(yuǎn)看，這項技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象，最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補。

3.2 建議

為了使3D打印技術(shù)得到更加迅速的發(fā)展，國家可以采取財稅金融政策上積極支持、積極引導(dǎo)建立行業(yè)協(xié)會，鼓勵研發(fā)，加強(qiáng)教育培訓(xùn)等措施，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印的社會化推廣。

3.2.1 制定數(shù)字化制造規(guī)劃，促進(jìn)3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展

建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意、工業(yè)設(shè)計、先進(jìn)制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財稅金融政策上，鼓勵企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用3D打印，支持3D打印設(shè)備的進(jìn)出口。

3.2.2 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會建設(shè)，推動3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

積極引導(dǎo)工業(yè)設(shè)計企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機(jī)及材料研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會、協(xié)會的平臺加強(qiáng)研討和交流，共同推動3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進(jìn)3D打印技術(shù)發(fā)展的市場平臺建設(shè)，包括3D打印電子商務(wù)平臺、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制、3D打印及周邊項目投融資機(jī)制等，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.2.3 加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平

設(shè)立專項基金，重點推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績效評估體系，鼓勵各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強(qiáng)對3D打印產(chǎn)學(xué)研合作的支持，特別對實施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場銷售、社會推廣上給予政策支持。

3.2.4 加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印社會化推廣

將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系，培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會、博覽會、論壇等組織形式進(jìn)行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓(xùn)。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動中心等公共機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心，推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗。

［1］沈仙法.3D打印技術(shù)：快速成型［J］.三江高教，2013（2）.

［2］劉厚才等.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008（9）.

［3］Berman B.3D printing：The New Industrial Revolution［J］.Business Horizons，2012，55（2）：155－162.

［4］王位.三維快速成型打印技術(shù)成型材料及粘結(jié)劑研制［D］.華南理工大學(xué)，2012年.

［5］Serra T，Planell JA，Navarro M.High－resolution PLA－based composite scaffolds via 3D printing technology［J］.Acta Biomaterialia，2013，9（3）：5521－5530.

［6］張楠等.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響［J］.機(jī)械設(shè)計，2013（7）.

Exploration of 3D printing technology

NIU Yi－Fan
（Jining College of Technician）

3D printing technology is such a technology as 3D digitalmodel is decomposed into several plane layers，then pulverous，liquid or filamentous bondingmaterials are composed layer by layer according to section graphics by 3D printer，eventually a complete object is piled up.Technology principle，steps，commonmaterials，main technologies，developmentand suggestions of3D printing are deeply explored.Compared with traditionalmanufacturing technology，3D printing technology hasmany advantages，ithas been widely applied in the fields of architecture，industrial design etc..This technology will bring about a great change of global manufacturing economy.

3D printing；3D digitalmodel；plane layers；composing and molding；modelmanufacturing