3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景與展望

孔敬,范鵬,雷雨晗,馬楊

KONG Jing1, FAN Peng1, LEI Yu-han1, MA Yang2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)；2.沈陽建筑大學(xué)）

(1.Inner Mongolia University of Science and Technology； 2.Shenyang Architecture University)

3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景與展望

孔敬1,范鵬1,雷雨晗1,馬楊2

KONG Jing1, FAN Peng1, LEI Yu-han1, MA Yang2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)；2.沈陽建筑大學(xué)）

(1.Inner Mongolia University of Science and Technology； 2.Shenyang Architecture University)

在信息化社會的今天，3D打印技術(shù)將在全球范圍內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，引領(lǐng)一場由信息、原材料和能量三大要素構(gòu)成的科學(xué)技術(shù)變革，讓人類沖破現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的阻礙，跨越技術(shù)與藝術(shù)的鴻溝，掀起全世界范圍內(nèi)的創(chuàng)新浪潮。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，將肩負(fù)著劃時(shí)代的重大意義。

3D打??；技術(shù)運(yùn)用；前景與展望

1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印技術(shù)于2010年開始逐漸進(jìn)入人們的視野。3D打印技術(shù)又被稱為快速成型技術(shù)，同時(shí)也是增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing)的總稱。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會對增材制造技術(shù)定義為：“基于3D模型數(shù)據(jù)，采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式生產(chǎn)物品的過程，通常通過電腦控制將材料逐層疊加，最終將計(jì)算機(jī)上的三維模型變?yōu)榱Ⅲw實(shí)物，是大批量制造模式向個(gè)性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)”。這一項(xiàng)新興的高科技產(chǎn)物正在人類世界的各個(gè)領(lǐng)域迅速發(fā)展壯大，現(xiàn)已知日本名古屋市工業(yè)研究所是最早公開進(jìn)行實(shí)體模型打印的機(jī)構(gòu)，而由美國發(fā)明家Charles Hull于1983年開發(fā)的商業(yè)3D打印機(jī)，是公認(rèn)的第一臺享有專利權(quán)的打印機(jī)。

2 3D打印技術(shù)的分類

目前，3D打印技術(shù)中比較成熟的三種主要技術(shù)分類為：熔融沉積型、激光燒結(jié)型、光固化型。

2.1 熔融沉積型(FDM)

熔融沉積類技術(shù)是普及率最高的3D打印技術(shù)，其工作原理為：熱塑性絲狀材料被熱管噴頭加熱并管化成半液體形態(tài)，再經(jīng)過噴頭擠壓出工件的橫截面輪廓，通過噴頭在工作臺上的往復(fù)運(yùn)動，使之逐層形成薄片，重復(fù)這個(gè)過程，便可生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。英國巴斯大學(xué)機(jī)械學(xué)院的 Adrian Bowyer等人設(shè)計(jì)的reprap3D打印機(jī)沒有專利限制，所有軟件和硬件人們都可在家中直接購買并自己動手組裝reprap3D打印機(jī)。此類打印機(jī)生產(chǎn)過程環(huán)保，硬件成本低且易于操作，所有加工的部件一次成型，不會產(chǎn)生多余的廢料、有毒氣體或有害化學(xué)物質(zhì)；同時(shí)，F(xiàn)DM這種3D打印技術(shù)所需的材料價(jià)格也極為低廉，以上優(yōu)勢均為FDM類技術(shù)普及的重要原因。但相較于其他3D打印技術(shù)，此類工藝產(chǎn)品表面比較粗糙，對產(chǎn)品加工的精度相對較低。

2.2 激光燒結(jié)型（SLS）

激光燒結(jié)技術(shù)的工作原理是需要先將工作臺溫度升至粉末的熔點(diǎn)溫度，然后通過激光束照射粘結(jié)劑和塑料的混合型粉末，逐層按照橫截面的輪廓進(jìn)行燒結(jié)，使得材料逐層熔融形成離散點(diǎn)，然后冷凝結(jié)合在一起，最后固化成型。SLS技術(shù)的優(yōu)勢在于成型精度高，并且經(jīng)過高溫成型的模型具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以非常適合應(yīng)用在需要特殊材料成型和復(fù)雜的特種零件成型等領(lǐng)域。但該技術(shù)的缺點(diǎn)在于能耗較大，對成型材料和工作環(huán)境均有較嚴(yán)格的要求，同時(shí)激光儀器設(shè)備比較昂貴，因此只在大型制造企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用較多，不太適合普通民用。

2.3 光固化型(SLA)

光固化技術(shù)將光敏樹脂作為成型材料，利用了立體雕刻的原理，將該材料放進(jìn)加工模具中，按照計(jì)算機(jī)預(yù)定的程序，通過聚焦的激光對光敏樹脂材料表面進(jìn)行掃描，觸發(fā)照射點(diǎn)的聚合反應(yīng)，最后完成固化成型，當(dāng)一層打印好之后，重復(fù)以上過程逐層成型。SLA的成型方式結(jié)合了前兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，成品表面精度高，尺寸誤差最小。該工藝特別適用于加工外部形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜、體積較小、造型要求精細(xì)的產(chǎn)品或零部件。但由于SLA的制作成本比較高，且SLA使用光敏樹脂作為原材料，長時(shí)間處于接收自然環(huán)境空氣中所含的水分，很可能使物體形狀發(fā)生一定的改變，不能長時(shí)間的暴露在空間中。加州大學(xué)伯克利分校的一些研究人員和仿生研究所合作，嘗試以仿生學(xué)為工具開發(fā)出一種可持續(xù)的3D打印材料，最終找到一種對人和環(huán)境都完全無害的高性能SLA使用材料。

3 3D打印所用材料的分類

3D打印技術(shù)需要使用特定針對3D打印的儀器設(shè)備和3D打印技術(shù)工藝，而研究開發(fā)的材料，與常見的塑料、石膏、樹脂等現(xiàn)有材料存在一定的差別，這類新型材料形態(tài)普遍分為粉末狀、絲狀、層片狀和液體狀等。迄今為止，3D打印技術(shù)普遍使用的材料為工程塑料、光敏樹脂、金屬材料和陶瓷材料，以及其他復(fù)合材料。

本文選取目前最常用的PLA塑料和ABS塑料作為主要對象，從成本、材料性能和后置處理三方面與其他材料進(jìn)行比較分析。

1)成本（不包含后置處理和人工費(fèi)用）：如果對同一結(jié)構(gòu)體積的材質(zhì)球進(jìn)行打印，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上查閱的各類耗材價(jià)格，PLA塑料＜ABS塑料＜樹脂＜全彩砂巖＜尼龍＜藍(lán)蠟＜金屬。因此，從產(chǎn)品的造價(jià)成本上可以總結(jié)出，PLA塑料和ABS塑料為最低，也是最切合低成本的耗材使用需求。

2)對于最小細(xì)節(jié)的表現(xiàn)方面，藍(lán)蠟材質(zhì)可以表現(xiàn)出0.1mm，而貴重金屬材料的表現(xiàn)為1.0mm，PLA塑料和ABS塑料處于中間水平，為0.5mm，無特別之處。

在最小壁厚方面，PLA塑料和ABS塑料的最小壁厚為1.0mm，跟壁厚0.6mm同為塑料類的尼龍相比幾乎沒有差別，屬于正常范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)普通產(chǎn)品的塑造要求。

在最高精度方面，基于材料本身因素的影響，0.3mm的PLA塑料在最高精度方面略低于平均水平，而0.1mm的ABS塑料表現(xiàn)更加優(yōu)秀。

3)后置處理：對于產(chǎn)品色彩的后置處理方法有噴漆上色、浸染和電鍍等多種方式。但是目前國內(nèi)浸染技術(shù)不太成熟且成本較高，電鍍技術(shù)由于操作較為復(fù)雜因此成本也居高不下。所以，目前噴漆上色是最為方便可行的產(chǎn)品色彩后置處理方法。

目前市面上使用頻率最高的3D打印材料主要為：工程塑料和金屬材料兩大類。工程塑料類材料主要應(yīng)用在消費(fèi)級產(chǎn)品制造市場中，日常生活中出現(xiàn)的3D打印產(chǎn)品大多數(shù)都是由ABS、PLA、尼龍和光聚合物這四種材料制成的。而在航空航天與國防、汽車、醫(yī)療等行業(yè)領(lǐng)域，金屬類材料制作的產(chǎn)品具有極大的發(fā)展空間，最符合市場需求，未來發(fā)展前景也會更加廣闊。

4 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 多材質(zhì)同時(shí)打印

多材質(zhì)同時(shí)成型在傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)中一直難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，F(xiàn)DM成型技術(shù)的3D打印機(jī)已經(jīng)可以通過多個(gè)噴頭來實(shí)現(xiàn)不同種塑料同時(shí)成型，還可以將其中一種材料置換成蠟質(zhì)作為支撐材料，極大地簡化了制件的后置處理工作。3D打印技術(shù)根據(jù)金屬材料本身的物理特性，進(jìn)行不同的合金成分的配比設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使元件既能一體成型，又可以使其不同的部位實(shí)現(xiàn)不一樣的工程特性。通常需要多次熱處理或者局部滲碳等一系列復(fù)雜工藝，且同時(shí)擁有高硬度外層和富有彈性內(nèi)層的元件才能完成制造。3D打印技術(shù)還能夠在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，重新調(diào)整材料參數(shù)進(jìn)行多色彩打印。美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家開發(fā)出了一臺可同時(shí)打印10中材料的打印機(jī)，并且該打印機(jī)使用方便，價(jià)格便宜，使用時(shí)可以直接在建模時(shí)嵌入復(fù)雜組件，如電路、傳感器等，也可以根據(jù)自己的需求選擇打印零部件還是整體部件。這種打印機(jī)采用“多制造”系統(tǒng)，打印分辨率高達(dá)40μm級，是目前世界上精密度最高的3D打印機(jī)。

4.2 生物組織結(jié)構(gòu)打印

再生醫(yī)療是一個(gè)快速成長的科技領(lǐng)域，是醫(yī)療將來發(fā)展的重要方向。近年來已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)通過3D打印技術(shù)，配合人體干細(xì)胞的研究實(shí)現(xiàn)了腎臟等主要器官的打印制作。目前，倫敦帝國學(xué)院生物工程系生物工程博士生Stephen Gray及其團(tuán)隊(duì)，攜手發(fā)明了一款低成本的生物打印機(jī)，這臺機(jī)器能夠使用10種不盡相同的原料完成在一種生物結(jié)構(gòu)中的打印。為了保持細(xì)胞活力，該機(jī)器還配置了加熱的隔音罩，可應(yīng)用的領(lǐng)域包括人體組織、制藥、食品、合成生物學(xué)、電子、乃至紡織品等。該機(jī)器可以支持包括膠原、明膠、海藻酸鹽、殼聚糖等所有凝膠狀的原料。

4.3 體素打印

體素概念的提出是相對于像素來說的，現(xiàn)有工程技術(shù)可以制作出像素單元，其小于人的肉眼分辨率，個(gè)別技術(shù)還可以制作納米級的處理器單元。但伴隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，在三維尺度上，可以排列打印具有獨(dú)立功能和結(jié)構(gòu)的元件。3D打印技術(shù)將可以制作任意形狀的顯示屏、太陽能電池和立體芯片，之前的產(chǎn)品架構(gòu)隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展也將被改寫，芯片、顯示屏等部件不再被獨(dú)立制造，利用3D打印技術(shù)多材質(zhì)打印的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的一體化制造，未來的產(chǎn)品將更加數(shù)字化和具有生物性。

5 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和不足

3D打印技術(shù)將引領(lǐng)大批量制造模式向個(gè)性化制造模式的發(fā)展，其突出優(yōu)勢在于節(jié)約制造成本、提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化制造。其核心理念就是逐層增加的增材制造，3D打印由于制件一體成型，因此不需要由零件嵌入的材料來起到在產(chǎn)品構(gòu)建期間的支撐作用。因?yàn)檫@種與大多數(shù)傳統(tǒng)制造工藝相反的制造方式，使得3D打印技術(shù)允許將部件以任何能夠想象的角度定位在構(gòu)建平臺上，這種方式?jīng)Q定了3D打印技術(shù)不用考慮各類材料的加工方式限制，只需要關(guān)注物體在空間位置上的相互關(guān)系。集中的成型制造方式可以極大地提高設(shè)備材料的使用效率，有利于減少能源消耗和材料的浪費(fèi)，生產(chǎn)過程更加綠色環(huán)保。

目前3D打印技術(shù)的發(fā)展瓶頸主要體現(xiàn)在兩方面。

1）3D打印技術(shù)的成本過高，缺乏大量應(yīng)用環(huán)境。迄今為止，3D打印技術(shù)的技術(shù)水平還沒能夠發(fā)展成熟，打印過程必須依賴在前期先建立準(zhǔn)確的坐標(biāo)系統(tǒng)之后，才可以進(jìn)行打印，整個(gè)過程需要軟件、設(shè)備和材料等許多領(lǐng)域的配合，而目前后兩個(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)展還仍然在探索階段。目前高精度3D打印機(jī)的價(jià)格還居高不下，并且構(gòu)建三維模型的軟件大部分需要復(fù)雜的操作技巧，需要耗費(fèi)一定的時(shí)間進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)，使得民用化得不到快速普及。

2）打印質(zhì)量和材料的限制。目前不同的3D打印機(jī)的打印精度差別較大，商品化的桌面級3D打印機(jī)普遍存在著精度不夠的缺陷，打印的產(chǎn)品尺寸要求和表面質(zhì)量都還不能滿足較高的使用需求。在原材料的選擇方面，迄今為止，可以用于3D打印的材料種類非常有限，還不能跟傳統(tǒng)制造業(yè)材料的豐富程度進(jìn)行比擬，而且由于成型工藝的不成熟，導(dǎo)致產(chǎn)品成型后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普遍達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，仍需要熱處理等后置處理方法來增加強(qiáng)度，極大地限制了3D打印技術(shù)可以使用的范圍。3D打印技術(shù)目前還不能實(shí)現(xiàn)跨類別材質(zhì)同時(shí)打印，因此，最常見的使用范圍仍然局限在制作功能和結(jié)構(gòu)都相對單一的產(chǎn)品上，但伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及新型制造產(chǎn)業(yè)在未來進(jìn)一步的發(fā)展成長，3D打印技術(shù)將會更好更快的發(fā)展。

6 結(jié)束語

本文通過對3D打印技術(shù)原理的理論闡述，論證了材料技術(shù)、人的需求與時(shí)代發(fā)展這三者間的相互關(guān)系和影響，并著重對3D打印技術(shù)的概念、技術(shù)分類、材料分類和3D打印技術(shù)的優(yōu)勢和不足進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，為深入討論在信息化社會的大環(huán)境下，3D打印技術(shù)對設(shè)計(jì)領(lǐng)域所帶來的影響提供了理論支持。

Application Prospect and Expectation of 3D Printing Technology

In the information society of today, 3D printing technology in the global scope of various fields, leading a made up of information, raw materials and energy is the three elements of science and technology change, let people through the real world and the virtual world obstacles, spanning the gap between technology and art, set off a worldwide wave of innovation, 3D printing technology, will shoulder the important significance of the epoch-making.

3D printing; technology application; prospect and expectation