3D打印技術(shù)、應(yīng)用及發(fā)展趨勢

陳夢(mèng)儀（上海金融學(xué)院，上海，201209）

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3D打印技術(shù)、應(yīng)用及發(fā)展趨勢

陳夢(mèng)儀
（上海金融學(xué)院，上海，201209）

二十多年來，3D打印技術(shù)從概念到應(yīng)用，已經(jīng)在醫(yī)療、航天、交通等領(lǐng)域得到使用。其技術(shù)不僅是激光打印、三維設(shè)計(jì)、立體檢測，更是基礎(chǔ)材料的發(fā)揮在技術(shù)。目前3D打印軟件、系統(tǒng)與材料緊密結(jié)合，立體光固成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔絲沉積造型（FDM）等主流技術(shù)路線基本成形，本文將針對(duì)以上幾個(gè)問題展開討論。

3D打??；增材制造；技術(shù)應(yīng)用

引言

3 D（3 D p r i n t i n g）打印技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)的一種，也稱為“增材制造（AdditiveManufacturing）”，是一種以立體數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬、塑料或樹脂等可材料，采用粘合處理，通過逐層打印的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)。隨著近10多年的發(fā)展，相繼研發(fā)出立體光固成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和熔絲沉積造型（FDM）等主流技術(shù)路線，使3D打印可以克服一些傳統(tǒng)制造上無法達(dá)成的設(shè)計(jì)，可以制作出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、個(gè)性化的產(chǎn)品。2016年選擇性激光燒結(jié)（SLS）是所有3D打印技術(shù)中最受歡迎的技術(shù)。

2016年，塑料是占主導(dǎo)地位的3D打印材料（73%），這主要?dú)w因于對(duì)低成本產(chǎn)品制造的需求，以及快速原因越來越多地被采用。在這些3D打印塑料材料中，聚酰胺（PA）是最流行的，其他材料正在創(chuàng)新和推廣應(yīng)用中，包括樹脂（26%）、金屬（23%）、砂巖（13%）和蠟（8%）［1］。

1　3D技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.13D打印產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)流程

一是三維建模。建模軟件已經(jīng)比較豐富。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，通過專業(yè)的3D掃描儀（比如GoSCAN類）或DIY掃描設(shè)備（Kinect類）獲取打印對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式在生成精度高、比例合適、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等專業(yè)的三維建模軟件直接建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的、已有的三維模型。

二是分層切片。3D打印用于打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、個(gè)性化強(qiáng)的產(chǎn)品。由于描述方式的差異，3D打印機(jī)并不能直接操作3D模型。因此，當(dāng)3D模型數(shù)據(jù)輸入到電腦中以后，需要通過打印機(jī)配備的專業(yè)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的分層處理，即將模型切分成一層一層的薄切片，每層切片的厚度是由噴涂材料的屬性以及打印機(jī)的規(guī)格來決定的。

三是打印噴涂。由打印機(jī)將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到三維空間中，根據(jù)不同的工作原理，會(huì)有相應(yīng)不同的實(shí)現(xiàn)方式。比較常用的做法是先噴一層黏膠材料，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)?；蚴峭ㄟ^高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成實(shí)物。整個(gè)過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)的不同以及工藝質(zhì)量耗時(shí)幾分鐘至數(shù)天不等。

1.2立體光固成型（SLA）技術(shù)

立體光固成型（SLA）技術(shù)是最早出現(xiàn)的立體成型技術(shù)［2］，其原理是采用液態(tài)光敏樹脂原料，工藝原理如圖所示。其工藝過程是：一是用CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)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(tái)的運(yùn)動(dòng)；二是激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)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，就生成零件的一個(gè)截面；三是升降臺(tái)控制下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)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。這一技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域，如助聽器、耳蝸等方面使用廣泛。

這一技術(shù)的關(guān)鍵問題是材料。樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。

1.3選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（簡寫為SLS）由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功［3］。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強(qiáng)度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強(qiáng)度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。

SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結(jié)對(duì)象。

1.4熔絲沉積造型（FDM）

熔絲沉積造型（FDM）［4］系統(tǒng)組要包括噴頭、送絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)工作臺(tái)5個(gè)部分。工作時(shí)先確定各層間距、路徑寬度等；生成路徑，對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行切片；在計(jì)算機(jī)控制下噴頭按路徑移動(dòng)出絲，噴絲粘結(jié)在工作臺(tái)上已制作層面上。如此反復(fù)逐層制作，直至最后一層。這樣熔絲粘結(jié)形成所要求的實(shí)體模型。

這里關(guān)鍵技術(shù)是噴頭，噴頭功能為加熱熔化［5］。噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)擠出材料，與前一層粘結(jié)并在空氣中迅速固化。現(xiàn)在的FDM快速成型系統(tǒng)一般都采用雙噴頭獨(dú)立加熱，一個(gè)用來噴模型材料制造零件；另一個(gè)用于噴支撐材料。

2　3D打印技術(shù)應(yīng)用

事實(shí)上在20多年前，3D打印技術(shù)就已經(jīng)能用樹脂或膠等材料制作產(chǎn)品。近幾年，由于3D打印可處理的材料范圍擴(kuò)大到了金屬材料（激光燒結(jié)技術(shù)），而且成功地將幾十年前就有的工藝技術(shù)重新組合利用，例如結(jié)合信息技術(shù)，使用激光和電子束進(jìn)行表面工程和增材制造。而目前而言的發(fā)展，是由于激光和電子槍等關(guān)鍵元器件品質(zhì)不斷提高。

在工業(yè)制成上，3D打印機(jī)主要應(yīng)用在兩方面：一是某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的零件或者制成品。主要是對(duì)于精度要求和工藝細(xì)節(jié)要求很高的制成品，包括小型零件和大型構(gòu)件。二是幾何約束強(qiáng)的產(chǎn)品。在某些大型構(gòu)件的加工上，不僅工藝難度相對(duì)于傳統(tǒng)高，而且成本還要求降低，3D打印正好滿足此需求。比如醫(yī)用領(lǐng)域最著名的就是通過3D打印，打印高精度的器官模型，如Stratasys Solidoodle2 可以用來打印病人的體內(nèi)器官或者組織模型，輔助制定精確的手術(shù)方案。

無需與生物組織相容的外部肢體，醫(yī)用3D打印可以進(jìn)行深度定制。體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等。根據(jù)美國組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計(jì)：目前美國約有200萬人使用3D打印假肢。

更高端一點(diǎn)的應(yīng)用，如還可打印完全不成熟的細(xì)胞，Organovo公司宣稱用3D打印機(jī)完整打印一個(gè)有正常生命機(jī)能的肝臟，為肝臟移植患者提供幫助。公司先通過獨(dú)特的細(xì)胞3D打印技術(shù)，在細(xì)胞培養(yǎng)基座中打印出肝臟所需的細(xì)胞組織，然后再在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)，并生成正常形狀和機(jī)能的肝臟，然后便可以移植到人體中，進(jìn)行身體解毒和排毒等正常代謝功能。不過，該肝臟的生命周期只有40天左右。

某些行業(yè)的應(yīng)急制品或者快速制成品。最簡單的是軍用上，給予機(jī)械維修團(tuán)隊(duì)，就地加工一些制成品來保證緊急狀況下的機(jī)械平臺(tái)維護(hù)，在大部分情況下，陸戰(zhàn)坦克，裝甲車在受到損害后，超過一定比例，就因?yàn)槌杀驹?，直接廢棄掉了。3D打印可以解決這些問題，當(dāng)然給予行軍途中，在后勤緊張的時(shí)候，快速制成一些用品更不用說了。如在航天上的應(yīng)用，主要集中在NASA的項(xiàng)目上，NASA主要在冷卻、包裝和屏蔽電子的物體上使用3D打印技術(shù)。例如，航天器的電池盒是使用熱塑性聚醚（PKK）3D打印的。

3　技術(shù)發(fā)展主要趨勢

3.13D打印與人們生活越來越相關(guān)

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院［1］的分析報(bào)告，可以預(yù)見3D打印技術(shù)不僅應(yīng)用在電子消費(fèi)品、汽車、航空航天等領(lǐng)域，還與人們生活越來越相關(guān)，可以在建筑、教育、醫(yī)療等方面繼續(xù)發(fā)展。

圖1　虛擬樣機(jī)

3.23D打印材料更加多樣化

開發(fā)更為多樣的3D打印材料已經(jīng)成為企業(yè)共識(shí)。企業(yè)在研發(fā)新材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn)。

智能材料將異軍突起。智能材料其實(shí)也是功能性材料的一種，可以隨著時(shí)間、溫度等外部環(huán)境的改變而發(fā)生變化。同時(shí)環(huán)保、可降解的環(huán)保材料將占據(jù)主流。

3.3生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造將實(shí)現(xiàn)一體化

需求、設(shè)計(jì)、模型、生產(chǎn)與制造一體化將成為可能。在軟件方面，高度集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/ RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接互聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。

3.43D打印技術(shù)

打印速度將顯著提高，一個(gè)激光頭還是兩個(gè)激光頭將不再是困擾速度的主要因素。打印機(jī)的價(jià)格將在三年后下降至少三四成［6］。

創(chuàng)新發(fā)展并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造。

4　結(jié)束語

在3D產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)代，3D打印設(shè)備生產(chǎn)商將與加工服務(wù)商、材料供應(yīng)商達(dá)成戰(zhàn)略聯(lián)盟；設(shè)備生產(chǎn)商將更多的應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)，在全球范圍內(nèi)通過互聯(lián)網(wǎng)，使技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新、業(yè)務(wù)創(chuàng)新等聯(lián)系更加緊密。在工業(yè)4.0、互聯(lián)網(wǎng)+等政策大力推動(dòng)下，可以預(yù)測電商將在3D打印領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

該論文受到上海金融學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：201511639064）。

［1］《3D打印現(xiàn)狀2016（TheStateof3DPrinting2016）》，平臺(tái)Sculpteo發(fā)布，2016-6-13.

［2］Print me a Stradivarius［J］.Economist，2011-2-10.

［3］The printed world［J］.Economist，2011-2-10.

［4］Wohlers Associates Inc.Wohlers Report 2011［R］.2011.

［5］Acelrovsion知乎 http://www.zhihu.com/question/26472893/ answer/33069636，2014.

［6］黃俊曄 知乎 http://www.zhihu.com/question/20382142/ answer/15868903，2014.

3D Printing Technology， Application and Trend

Mengyi Chen
（Shanghai Financial University， Shanghai， 201209， China）

3D printing technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution； it has been increasingly becomepopular in the industrial sectors and investor community. And it has been listed as the most ten powerful industial technologies in America .this article will introduce the 3D printing technology and its applications； its development trend.

3D Printing Technology； Additive Manufacturing； Applications

E-mail: 1005531287@qq.com

TP273

A

2095-8412 （2016） 03-581-04

陳夢(mèng)儀（1995-），女。研究方向：3D打印技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用 。