3D打印技術(shù)及先進應(yīng)用研究進展*

馬北越，張博文，于景坤，曲選輝

1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院 冶金高溫材料與技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110819；2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083

3D打印技術(shù)及先進應(yīng)用研究進展*

馬北越1，張博文1，于景坤1，曲選輝2

1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院 冶金高溫材料與技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110819；2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083

對3D打印的主要技術(shù)原理及特點進行了介紹，綜述了3D打印技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和陶瓷制造等先進領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并指出了我國發(fā)展3D打印技術(shù)存在的問題，展望了其美好前景.

3D打印技術(shù)；先進應(yīng)用；研究進展

3D打印(Three Dimentional Printing)技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末期，其基本原理是借助三維數(shù)字模型設(shè)計，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、電子束等方法將金屬粉、陶瓷粉、塑料和細(xì)胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品[1].3D打印也稱為增材制造，是相對于傳統(tǒng)制造中的機械加工等“減材”制造而言.3D打印技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，受到世界矚?我國在2015年發(fā)布的國家“十三五”中長期發(fā)展規(guī)劃中，明確提出要重視和加速發(fā)展3D打印技術(shù)，且于2016年4月在北京正式成立了全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，這對于促進3D打印技術(shù)在中國的發(fā)展和應(yīng)用將起到很重要的支撐和引領(lǐng)作用.此外，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印具有節(jié)時、節(jié)能、可個性化定制等優(yōu)點，這必將推動其大力發(fā)展及其在航空航天和生物醫(yī)學(xué)等先進領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2-5].

1 3D打印的主要技術(shù)原理與特點

3D打印技術(shù)有很多種，如熔融沉積成型技術(shù)、光固化成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)等，下面對其主要工藝的原理及特點進行介紹.

1.1 熔融沉積成型技術(shù)(FDM, Fused Deposition Modeling)

FDM技術(shù)[6]是用加熱頭將ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、尼龍和蠟等熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)，然后在軟件控制下沿CAD確定的二維幾何軌跡運動，并通過噴頭將半流動狀態(tài)的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層.薄層逐層累積，最終打印出設(shè)計好的三維物體.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對模型進行切片處理→設(shè)置掃描路徑→對材料進行加熱→噴頭按照設(shè)置好的路徑進行涂敷→快速冷卻→噴頭上移→再次按設(shè)置好的路徑進行涂敷→繼續(xù)重復(fù)以上涂敷工序，最后得到逐層堆積而成的完整工件.該技術(shù)主要用于中、小型部件的成型，其生產(chǎn)成本低、污染小，材料可回收，但成品精度較差、成型速度慢且使用的材料類型受限[6].

1.2 光固化成型技術(shù)(SLA, Stereo Lithography Apparatus)

SLA技術(shù)[7]是以光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射，擇性地讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)并變硬，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對模型進行切片處理→設(shè)計掃描路徑→激光光束按設(shè)計的掃描路徑照射液態(tài)光敏樹脂表面→形成樹脂固化層，生成零件的一個截面→升降臺下降一個層片的高度→固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂→再進行第二次掃描→第二固化層牢固地粘接于前一固化層上→重復(fù)以上工序，得到層層疊加而成的三維模型原型.

SLA技術(shù)具有成型速度快、表面質(zhì)量好、打印精度高和打印模型尺寸大(可達(dá)1524 mm)等優(yōu)點[8]，但因樹脂固化過程中易產(chǎn)生收縮，易產(chǎn)生應(yīng)力或引起變形.故研發(fā)固化速度快、體積穩(wěn)定性好、強度高的光敏樹脂材料是SLA 技術(shù)的重要發(fā)展趨勢.同時，SLA也存在系統(tǒng)造價高，使用和維護成本高，以及系統(tǒng)操作復(fù)雜、入門困難等問題.

1.3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS, Selective Laser Sintering)

SLS技術(shù)[9]是用高功率激光(如CO2激光)將很小的材料粒子熔合成團塊，形成所需要的三維形狀；高功率激光根據(jù)三維數(shù)據(jù)(如制作的CAD文件或掃描數(shù)據(jù))所生成的切面數(shù)據(jù)，選擇性地融化粉末層表面的粉末材料，然后每掃描一個粉末層，工作平臺就下降一個層的厚度，一個新的材料層又被施加在上面，然后燒結(jié)形成粘接，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.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對模型進行切片處理→激光燒結(jié)→產(chǎn)生原型零件→再次激光燒結(jié)→產(chǎn)生零件原型.

SLS技術(shù)可選用很多種材料，如：石蠟、高分子、金屬粉或合金粉、陶瓷粉以及其復(fù)合粉末，其制品的相對密度約達(dá)100%，且產(chǎn)品性能可與傳統(tǒng)制造工藝的相媲美.

1.4 直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS, Direct Metal Laser Sintering)

DMLS技術(shù)[9]的基本原理是使用實體的三維模型正確地定位構(gòu)件部分的幾何圖形，并為其添加適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，再下載到DMLS機，構(gòu)建“三維復(fù)制品” .采用金屬粉末，再通過使用局部聚焦激光束使其“焊接”.各部分的構(gòu)建是通過一層一層添加形成，各層厚度約為20 μm.DMLS機生產(chǎn)的零件精度和致密度高，細(xì)節(jié)分辨率好，有良好的表面質(zhì)量和優(yōu)異的機械性能，尤其適合小批量生產(chǎn)[10].

1.5 電子束熔煉技術(shù)(EBM, Electron Beam Melting)

EBM技術(shù)[11]是通過高真空中的電子束來熔化金屬粉末層，從而制造產(chǎn)品.EBM機從三維CAD模型中讀取數(shù)據(jù)，并將粉末材料放到連續(xù)層上，利用一個計算機控制的電子束使這些層熔化在一起而構(gòu)建部件.整個過程均在真空環(huán)境中進行，所以避免了活性材料熔融時出現(xiàn)氧化.一般需要在700～1000 ℃的高溫下操作，打印的層厚為0.05～0.2 mm.采用該技術(shù)制造的產(chǎn)品非常致密.目前，EBM技術(shù)主要以鈦合金為原材料，故其非常適合制造航空航天部件和醫(yī)療植入件.

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)過去常用于模具制造或新產(chǎn)品在正式開模前的試制模型.現(xiàn)在已成功應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和陶瓷等先進制造領(lǐng)域[12-15].

2.1 在航空航天制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造3個方面.近年來，美國波音公司已采用3D打印技術(shù)制造了300 余種飛機零部件.空客也使用該技術(shù)制造出A380飛機客艙行李架，在戰(zhàn)斗機中也采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了空調(diào)系統(tǒng).美國Morris公司不僅擁有20多臺最先進的激光3D打印設(shè)備，并制造出大量的航空發(fā)動機零件.德國EOS公司也利用3D打印技術(shù)制造出航空發(fā)動機零部件[12].

我國在航空航天制造中也成功應(yīng)用了3D打印技術(shù).西北工業(yè)大學(xué)科研人員采用3D激光立體打印技術(shù)制造了國產(chǎn)客機用長度超過5 m 的鈦合金翼梁；還將激光立體成型技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，建立激光組合技術(shù)，成功制造了我國首臺航空發(fā)動機某合金復(fù)合軸承后機匣[12].北京航空航天大學(xué)王華明等人[16]成功制造了單件重量超過110 kg的多個鈦合金結(jié)構(gòu)件及國內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結(jié)構(gòu)件，在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工、大型復(fù)雜的整體關(guān)鍵構(gòu)件的激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成型技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機工程應(yīng)用的國家.中航重機激光技術(shù)團隊在2000年前后，進行了3D激光焊接快速成型技術(shù)的研發(fā)，其制造產(chǎn)品目前已成功應(yīng)用于我國多款新型飛機[17].此外，清華大學(xué)、西北有色金屬研究總院等科研單位在EBM技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備研發(fā)和零件制造方面也取得了可喜成果，為推動3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用做出了突出貢獻.

在航空制造中運用3D打印技術(shù)很有意義：①增材制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造(即機械加工)，可節(jié)約大量的昂貴金屬材料；②利用3D打印的靈活性，可對組合零部件進行合理設(shè)計，以制造出過去無法成型的結(jié)構(gòu)部件；③有利于先進新型航空航天器的快速開發(fā)，提高在此領(lǐng)域的核心競爭力；④采用3D打印快速成型與傳統(tǒng)制造相結(jié)合，有利于批量化制造高性能金屬零件.

2.2 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，不僅用來打印生物支架[18]，還用來打印人體器官[19].如果打印人體器官，首先應(yīng)獲得需要打印器官的三維數(shù)字信息，并運用計算機輔助設(shè)計程序建模，再利用3D打印機根據(jù)建好的數(shù)字模型逐層地打印出實物模型.根據(jù)設(shè)計技術(shù)思路，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究主要集中在3個方面[19]：①先用生物材料打出“支架”，再在上面進行細(xì)胞培養(yǎng)并誘導(dǎo)形成組織；②采用生物活性組織和電子元件相結(jié)合打印人體器官；③通過患者自身的胚胎干細(xì)胞直接打印人體器官.

在3D打印人體器官方面，美國、西歐和日本走在世界前列.美國華盛頓兒科醫(yī)學(xué)中心科研人員通過3D打印技術(shù)，用“塑料”打印出了全球第一顆人類心臟[20].面對可用于移植的捐獻器官嚴(yán)重不足的今天，這將給心臟器官衰竭患者帶來福音.我國科研和醫(yī)療機構(gòu)在3D打印技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也取得了可喜成績，如清華大學(xué)器官制造中心的王小紅等人，利用自主研發(fā)的國內(nèi)首臺生物材料低溫打印設(shè)備，將合成高分子與天然高分子及生長因子等在低溫打印成型；于2004 年自主研發(fā)出國內(nèi)第一臺細(xì)胞3D 打印機，并確定了幾乎適合所有細(xì)胞組裝的通用基質(zhì)材料[21].

2.3 在陶瓷制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代陶瓷中都顯示出強大的應(yīng)用潛力[22-28].2012年10月，土耳其伊斯坦布爾的Unfold 設(shè)計室科研人員利用其自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印出造型各異的日用陶瓷制品.有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后，質(zhì)量很好[22].荷蘭埃因霍溫藝術(shù)家Olivier van Herpt 采用自己研發(fā)的3D打印機打印出許多精致的陶瓷樣品[22]，成品高度可達(dá)80 cm，半徑可達(dá)21 cm，細(xì)節(jié)頗為精致.3D打印技術(shù)在國內(nèi)陶瓷制造領(lǐng)域的應(yīng)用，只是借助3D打印技術(shù)制作陶瓷模型，然后再翻模.龍泉青瓷藝人梅紅玲通過3D打印技術(shù)制作了青瓷牛的樹脂模具，然后將制模燒制成了第一件鎮(zhèn)紙大小的瓷牛，細(xì)節(jié)栩栩如生，成為青瓷文化中的特殊藝術(shù)品[22].

目前，3D打印在陶瓷制造方面的應(yīng)用還存在以下問題：用于制備傳統(tǒng)陶瓷的原料——粘土和顏料不一定都適合3D打印；缺少3D設(shè)計專門人才；如何消除燒結(jié)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，以制得質(zhì)量穩(wěn)定且精美的制品.

3D打印技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、效率高，成型過程中不需要模具或模型，成型體的幾何形狀及尺寸可通過計算機軟件處理系統(tǒng)改變，靈活性強，可制備形狀復(fù)雜的陶瓷制品，在現(xiàn)代陶瓷制造中備受青睞.

3D打印技術(shù)在快速成型陶瓷零部件尤其是復(fù)雜形狀陶瓷零部件方面體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢，但因其是堆積成型，使得致密度偏低，強度欠佳，且大量粘結(jié)劑的使用，導(dǎo)致陶瓷的收縮加大，較難保證陶瓷的體積燒結(jié)穩(wěn)定性和質(zhì)量.所以陶瓷零部件制造業(yè)應(yīng)在改善3D打印工藝和燒結(jié)技術(shù)方面加強研究，以期制得綜合性能優(yōu)異的陶瓷部件.

3 展 望

目前，盡管我國的一些科研單位經(jīng)獨立研發(fā)或通過“產(chǎn)學(xué)研”與國內(nèi)企業(yè)合作，已在3D打印技術(shù)制造方面做了大量的工作，涉及3D打印設(shè)備研制、原材料開發(fā)、3D打印成型軟件開發(fā)以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究等，且已有部分技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平.但與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國在3D打印技術(shù)方面的研究在廣度、深度及實際應(yīng)用方面還有較大的差距.因此，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)進一步加強合作，加快3D打印用高性能、低成本原料的研發(fā)，以降低3D打印整體成本；深入研究3D打印技術(shù)在航空制造和生物醫(yī)學(xué)等先進領(lǐng)域的應(yīng)用，以更快更好地惠及于國、惠及于民.

[1] 王康，黃筱調(diào)，袁鴻. 3D打印技術(shù)最新進展[J].機械設(shè)計與制造工程，2015，44(10)：1-6.

[2] LIN D，NIAN Q，DENG B W，et al.Three-dimensional printing of complex structures: man made or toward nature [J]. ACS Nano，2015，8(10):9710-9715.

[3]WANG X L，GUO Q Q，CAI X B，et al.Initiator-integrated 3D printing enables the formation of complex metallic architectures [J].ACS Applied Materials & Interfaces，2014，6(4):2583-2587.

[4]ROOHANI-ESFAHANI S，NEWMAN P，ZREIQAT H.Design and fabrication of 3D printed scaffolds with a mechanical strength comparable to cortical bone to repair large bone defects[J].Scientific Reports,2016,6: 19468-19474.

[5]LA W G，JANG J，KIM B S.Systemically replicated organic and inorganic bony microenvironment for new bone formation generated by a 3D printing technology [J].RSC Advances，2016，6:11546-11553.

[6] 韓江，王益康，田曉青，等.熔融沉積(FDM)3D打印工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[J].制造技術(shù)與機床，2016(6)：139-142，146.

[7] 張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍，等. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 材料工程，2016，44(2)：122-128.

[8] 肖緒文，田偉，苗冬梅. 3D 打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2015，44(10)：79-83.

[9] 張希平，蘇健強，高健.3D打印技術(shù)及我國的發(fā)展現(xiàn)狀[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015(6)：17-21.

[10] 顧冬冬，沈以赴，潘琰峰，等.直接金屬粉末激光燒結(jié)成形機制的研究[J].材料工程，2004(5): 42-48.

[11] 趙冰凈，胡敏.用于3D打印的醫(yī)用金屬研究現(xiàn)狀[J].口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志，2015，16(1)：53-56.

[12] 黃衛(wèi)東.材料3D 打印技術(shù)的研究進展[J].新型工業(yè)化，2016，6(3)：53-70.

[13] ZHANG Q，CHEN J，WANG L L，et al.Solidification microstructure of laser additive manufactured Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1.5Cr-2Nb titanium alloy [J].Journal of Materials Science & Technology，2016，32(4): 381-386.

[14] SHAO H F，HE Y，F(xiàn)U J Z，et al. 3D printing magnesium-doped wollastonite/ β-TCP bioceramics scaffolds with high strength and adjustable degradation[J].Journal of the European Ceramic Society，2016，36(6): 1495-1503.

[15] EVANS R S, BOURELL D L, BEAMAN J J，et al.Rapid manufacturing of silicon carbide composites[J]. Rapid Prototyping Journal，2005，11(1): 37-40.

[16] 王華明，張述泉，湯海波，等.大型鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形技術(shù)研究進展[J].航空精密制造技術(shù)，2008，44(6)：28-30.

[17] 楊恩泉.3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013(1)：13-17.

[18] CHLEBUS E，KUZNICKA B，KURZYNOWSKI T，et- al.Microstructure and mechanical behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting [J].Materials Characterization，2011，62(5):488-495.

[19] 李永欣，黃文華.3D打印技術(shù)在人體器官方面的應(yīng)用研究及展望[J].醫(yī)學(xué)研究雜志，2015，44(6)：3-5.

[20] 楊小娟，余冬梅，張建斌. 3D打印技術(shù)的最新進展[J].金屬世界，2015(3)：22-25，41.

[21] 王鎵垠，柴磊，劉利彪，等.人體器官3D打印的最新進展[J].機械工程學(xué)報，2014，50(23)：119-127.

[22] 王超. 3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J].中國陶瓷，2015，51(12)：6-11.

[23] 鄧先功，王軍凱，杜爽，等.發(fā)泡法、三維打印法、熔鹽法制備多孔陶瓷[J].材料導(dǎo)報，2015，25(9)：109-116.

[25] 翁作海，曾慶豐，謝聰偉，等.三維打印結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備多孔氮化硅陶瓷[J].材料導(dǎo)報，2013，27(4): 5-7，10.

[26] 封立運，殷小瑋，李向明.三維打印結(jié)合化學(xué)氣相滲透制備Si3N4-SiC復(fù)相陶瓷[J].航空制造技術(shù)，2012，(4)：62-65.

[27] 劉驥遠(yuǎn)，吳懋亮，蔡杰，等.工藝參數(shù)對3D打印陶瓷零件質(zhì)量的影響[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2015，31(4)：376-380.

[28] WEN S F，SHEN Q W，WEI Q S，et al.Material optimization and post-processing of sand moulds manufactured by the selective laser sintering of binder-coated Al2O3sands[J].Journal of Materials Processing Technology，2015，225:93-102.

Research progress on 3D printing technologies and advanced applications

MA Beiyue1，ZHANG Bowen1，YU Jingkun1，QU Xuanhui2

1.InstituteofHighTemperatureMaterialsandTechnologyforMetallurgy，SchoolofMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819，China；2.StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China

Main technological principles and characteristics are introduced，research situation of 3D printing technologies in some advanced fields involved aerospace, biomedical sciences and ceramics is reviewed, possible problems on 3D printing technologies existed in China are pointed out， and finally good future is also prospected.

3D printing technologies；advanced applications；research progress

2016-07-25

新金屬材料國家重點實驗室開放基金資助項目(2015-Z05)

馬北越(1978-)，男，遼寧沈陽人，博士，副教授.

1673-9981(2016)04-233-05

TS853.2

A