3D打印技術(shù)發(fā)展綜述

郭璐

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430074）

3D打印技術(shù)發(fā)展綜述

郭璐

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430074）

3D 打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并逐漸惠及百姓。介紹了幾種最新的3D打印技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了比較，并分析了各自的特點(diǎn)。這些技術(shù)很大程度上克服了成型效率不高、成型精度低、成型材料單一等局限性。3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，值得相關(guān)研發(fā)單位高度重視，以取得更進(jìn)一步的革命性突破，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3D打印技術(shù)；快速成型；發(fā)展趨勢

引言

3D打印技術(shù)是新興的制造技術(shù)。就其技術(shù)特征而言，一是依據(jù)三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用液體、粉末、絲、片等材料逐層累加的方式制造實(shí)體零件，故也稱作增材制造技術(shù)；二是不僅可以制造出任意復(fù)雜形狀的零件，還大大減少了加工工序，縮短了加工周期[1]，故也稱作快速成型技術(shù)。3D 打印技術(shù)為21世紀(jì)最具代表性制造技術(shù)之一，使制造工藝、技術(shù)、模式產(chǎn)生了根本性變化，越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注，不僅推動了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也影響著人類生活方式。目前，3D打印技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航天、建筑、生物醫(yī)療及珠寶首飾、鞋類等領(lǐng)域的個(gè)性化定制得到應(yīng)用。

由于多方面的瓶頸與挑戰(zhàn)，3D打印技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用仍受到限制。推動其發(fā)展并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域方面，該技術(shù)正在朝著提升打印速度和精度、擴(kuò)展或開發(fā)新材料的方向上發(fā)展。本文在技術(shù)、材料等方面進(jìn)行了探究分析。

1 3D打印發(fā)展趨勢

3D打印技術(shù)的局限與挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在：一是速度、效率和精度存在嚴(yán)重沖突，3D打印速度提升的同時(shí)打印成品精度不盡人意；二是受打印機(jī)工作原理的限制，考慮了打印精度的同時(shí)打印效率遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)需求；三是由于打印材料的制約，很多金屬材料、陶瓷材料等打印件相比傳統(tǒng)工藝仍存在致密度低和內(nèi)應(yīng)力大等問題。3D打印的成型材料多采用有機(jī)高分子材料，選擇局限性較大，成型品物理特性較差[2]。

看到3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，大企業(yè)致力創(chuàng)新高效、高精度的打印技術(shù)發(fā)展，主要有四種：一是CLIP技術(shù)，即“連續(xù)液界面生產(chǎn)工藝”；二是PolyJet技術(shù)，即光固化三維打印；三是MSL技術(shù)，即微立體光刻；四是超材料打印技術(shù)。

2 技術(shù)研發(fā)

2.1 高速度、高精度的光固化3D打?。–LIP）

現(xiàn)有光固化成型方法是利用液態(tài)樹脂，層層構(gòu)筑物體結(jié)構(gòu)，即先打印一層，矯正外形，再灌入樹脂，再重復(fù)之前的步驟，打印速度和精度不可兼得。2015年3月20日，Carbon3D公司的Tumbleston等人在美國Science雜志上發(fā)表了一項(xiàng)具有顛覆性的3D打印新技術(shù)[3]：CLIP技術(shù)，即“連續(xù)液界面生產(chǎn)工藝”，其工作原理為：在底部有一個(gè)能通過紫外線和氧的窗口，紫外線使樹脂聚合固化，而氧氣起阻聚作用，這兩個(gè)矛盾體使得靠近窗口部分的樹脂聚合緩慢仍呈液態(tài)，這一區(qū)域稱為“死區(qū)”?！八绤^(qū)”上方樹脂在紫外線作用下固化，已成型的物體被工作臺上移，樹脂連續(xù)固化，直到打印完成為止，如圖1所示。CLIP技術(shù)在提高了精度的同時(shí)，打印速度可以提升100倍。

圖1 CLIP技術(shù)原理

加拿大3D打印機(jī)制造商N(yùn)ewPro3D的ILI（Intelligent Liquid Interface）3D打印技術(shù)與CLIP原理相似，但速度比后者還要快30%。這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)得到了應(yīng)用，可以在不到45分鐘時(shí)間內(nèi)“打印”一名患者的完整原尺寸顱骨模型。此前，醫(yī)生和患者想要拿到這些模型往往需要等上至少一周。

2016年4月，3D Systems公司展示了一款全新的工業(yè)級立體光固化成型（SLA）3D打印機(jī)——Figure 4[4]，打印過程包括一系列的流水線式3D打印及打印后期處理，顯著特征是使用了一個(gè)機(jī)器人手臂。打印原理與CLIP有些類似：液態(tài)光敏樹脂在光源的照射下逐層固化成3D打印件，同時(shí)被作為打印平臺的機(jī)械臂末端自下而上快速拉出。由于光源和樹脂之間存在一種專業(yè)膜，這個(gè)過程只需數(shù)分鐘，如圖2a和圖2b所示。如果可以創(chuàng)建一個(gè)該設(shè)備的陣列，將進(jìn)一步縮短制作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)SLA部件的大規(guī)模制造。

圖2 Figure 4打印機(jī)及打印過程

2.2 多顏色、多材料的混合3D打?。≒olyJet）

傳統(tǒng)3D打印的單調(diào)顏色和單一材質(zhì)已不能滿足人們的需求。特別是在消費(fèi)品、個(gè)性化定制、服飾鞋類等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)多色彩、混合材料設(shè)計(jì)與制造的3D打印技術(shù)將成為突破關(guān)鍵。目前，實(shí)現(xiàn)多顏色、多材料打印的有粘結(jié)劑三維打印和光固化三維打印，前者通過噴射不同顏色的液體粘結(jié)劑將粉體材料粘結(jié)，打印出彩色模型；后者由噴嘴噴射液態(tài)光敏樹脂，再采用紫外光固化來成型。如原Objet公司推出的PolyJet技術(shù)即是光固化三維打印，可在機(jī)外混合多種基礎(chǔ)材料，得到性能更佳的新材料，而且通過不同顏色樹脂的混合, 可以打印上百種色調(diào)。在PolyJet的基礎(chǔ)上，后來推出了PolyJet Matrix技術(shù)，可以同時(shí)噴射不同型號材料，結(jié)合兩種基礎(chǔ)材料的特性從而生成復(fù)合材料，也可在單個(gè)建造工作中打印具有不同機(jī)械和物理性能材料組成的零部件。

美國Z Corporation公司基于粘結(jié)劑三維打印技術(shù)最先推出全真彩色原型件打印設(shè)備。3D System公司基于PolyJet技術(shù)的高端機(jī)型ProJet 660Pro和ProJet 860Pro可以使用CMYK（青色、洋紅、黃色、黑色）4種顏色的粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)600萬種以上的顏色。

美國麻省理工學(xué)院研發(fā)出了一種“多種制造”系統(tǒng)[5]，通過噴墨打印頭的微液滴混合了光敏聚合物，不僅能夠一次打印10種材料，而且可自我校正，保證打印精度，更是能夠?qū)?fù)雜的電子器件直接植入對象。該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用該系統(tǒng)來打印智能手機(jī)、LED鏡頭等物品。

2016年4月，Stratasys發(fā)布了最新的多材料全彩3D打印機(jī)J750[6]，如圖3所示。這款機(jī)器有6個(gè)噴嘴，能夠?qū)崿F(xiàn)36萬種顏色深淺不同、軟硬不同和透明度不同塑料的3D打印，并且可以將多種材料一次打印出來，而不用分別打印再組裝，相對傳統(tǒng)的消費(fèi)品和鞋類制造，效率大大提高。J750最小打印層厚度可達(dá)14 μm，打印出的原型幾乎與真正產(chǎn)品一樣。

圖3 J750 3D打印機(jī)及打印產(chǎn)品

多顏色的3D打印技術(shù)能夠直接獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的彩色外觀，而不需要后處理流程；多材質(zhì)的3D打印技術(shù)能夠?qū)⒉煌阅艿牟牧蠘?gòu)建于同一零件上，縮短加工流程、減少裝配、提高性能[7]。多材料、多顏色3D打印顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)意過程，使得設(shè)計(jì)者和制作者以之前無法想象的創(chuàng)新方式創(chuàng)建產(chǎn)品，以滿足人們對產(chǎn)品外觀和性能的需求?？梢灶A(yù)見，該項(xiàng)技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域、教育行業(yè)、個(gè)性化定制以及珠寶首飾、柔性電子設(shè)備、可穿戴傳感器等領(lǐng)域有著巨大優(yōu)勢。相對粘結(jié)劑三維打印，光固化三維打印沒有粉末材料系統(tǒng)，其產(chǎn)品表面精度高，無臺階感，更具發(fā)展優(yōu)勢，而噴頭和光敏材料的開發(fā)將是以后的研究方向。

2.3 金屬材料功能零件的3D打?。∕SL等）

與非金屬材料的原型制造相比，金屬材料3D打印的目的是直接制造，其打印工藝包括選擇性激光融化成形（SLM）、激光近凈成形（LENS）、電子束快速成形（EBRM）、聚能光束制造技術(shù)（DLF）等。目前，3D打印的一些金屬材料要具有與傳統(tǒng)技術(shù)成型的金屬材料相當(dāng)?shù)纳踔粮玫男阅?，還要解決精度和表面粗糙度、內(nèi)應(yīng)力大、致密度低以及內(nèi)部組織缺陷等問題。

各大高校、研究所對以上問題做了大量研究，北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)突破了激光快速成形TA15鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，研究結(jié)果表明飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到甚至超過鈦合金模鍛件水平[8]。西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)在研究激光立體成型技術(shù)工藝的同時(shí)，進(jìn)行了成型件微觀組織形成規(guī)律的研究，在進(jìn)一步嚴(yán)格控制工藝條件的基礎(chǔ)上，獲得了具有定向乃至單晶組織的試樣，并在總結(jié)優(yōu)化工藝后，獲得了不同合金的激光立體成型件，成型件內(nèi)部致密，表面質(zhì)量良好無缺陷[9]。

3D 打印并非傳統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)替代或補(bǔ)充。將3D打印快速成型的優(yōu)勢與傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，則是復(fù)合制造技術(shù)，對難加工的復(fù)雜形狀高性能零件是一條新路徑。華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)將SLM與HIP（熱等靜壓）技術(shù)相結(jié)合，可在短時(shí)間內(nèi)將粉末致密化為近凈成形或局部成形的復(fù)雜高性能零件[10]。華中科技大學(xué)張海鷗團(tuán)隊(duì)開展了等離子體激光復(fù)合直接成形的弧柱形態(tài)與成形特性的研究，得到了激光對等離子弧形態(tài)有重要影響，且可提高直接成形精度的結(jié)論[11]。

復(fù)雜形狀金屬功能零件在航空航天、國防、能源、交通等尖端支柱領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，金屬零件通過3D打印技術(shù)直接制造是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。一部分高性能的金屬零件可通過3D打印直接制造，但其性能和精度還需進(jìn)一步提升，目前可采取的措施主要有兩個(gè)方面：一是通過調(diào)整3D打印設(shè)備的工藝參數(shù)，比如鋪粉工藝、掃描定位技術(shù)、能量束密度大小等控制金屬成型件的性能；二是將金屬3D打印與傳統(tǒng)成型技術(shù)結(jié)合，相互取長補(bǔ)短。

未來，開發(fā)高效率、高性價(jià)比、大范圍和結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)加工方法的SLM設(shè)備，是金屬3D打印的發(fā)展方向之一。

2.4 超材料、功能梯度材料的3D打印

“超材料”是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。如果對材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序設(shè)計(jì)，可以使材料突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常功能材料。功能梯度材料是選用兩種（或多種）性能不同的材料，通過連續(xù)地改變這兩種（或多種）材料，使其組成結(jié)構(gòu)和性能（物理、化學(xué)、生物單一或綜合性能）在材料厚度或長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)緩慢變化，以實(shí)現(xiàn)某一特殊功能。這種非均質(zhì)復(fù)合材料稱為功能梯度材料。

3D打印技術(shù)是通過材料“逐點(diǎn)累積形成面，逐面累積成為體”制造實(shí)體零件，這一成形原理給材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造提供了契機(jī)，使超材料和梯度材料制備更容易進(jìn)行。西安交通大學(xué)的李滌塵等通過控制激光金屬直接成形過程環(huán)境溫度等工藝參數(shù)，控制了零件內(nèi)部組織定向結(jié)晶組織的形成[12]。美國NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員采用激光沉積（LD）和旋轉(zhuǎn)沉積相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了樣件的成分梯度從中心沿徑向成放射狀改變，通過有目的性的梯度組成改變了零件的機(jī)械及物理特性[13]。

微立體光刻（MSL）是在傳統(tǒng)3D打印工藝——SLA基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型微細(xì)加工技術(shù)[14]，它是在微觀尺度上進(jìn)行的3D打印，精度極高，不僅可以3D打印一般物體，而且能夠打印出該物體的微觀結(jié)構(gòu)。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院采用面投影微立體光刻技術(shù)，通過對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，打印出重量極輕、強(qiáng)度和硬度非常高的超材料[15]，其中一種具有微架構(gòu)的超材料，具有1萬倍以上的剛度，并且可以用各種材料，如金屬或聚合物3D打印而成。

材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)對其性能有決定性作用，傳統(tǒng)制造技術(shù)只能在宏觀上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，無法滿足人們對材料性能的更高要求。微立體光刻3D打印技術(shù)通過實(shí)時(shí)精確控制打印工藝參數(shù)和送進(jìn)材料的組成和組分，實(shí)現(xiàn)同一構(gòu)件上均勻材料或多材料的任意復(fù)合，以及超材料和梯度材料的制造，在微觀到宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)同步制造，實(shí)現(xiàn)性能—材料—結(jié)構(gòu)一體化[1]，使材料更強(qiáng)、更硬、更輕?？梢灶A(yù)見，超材料應(yīng)用前景非常廣闊，比如可以打印移動設(shè)備的電池、自行車車架、汽車零部件、航空航天工程件、假肢等。3D打印技術(shù)本身就與材料科學(xué)息息相關(guān)，所以超材料的產(chǎn)生又必將反哺并推動3D打印技術(shù)的發(fā)展。

3 技術(shù)比較與特點(diǎn)

為了突破目前3D打印技術(shù)的發(fā)展瓶頸，新型3D打印技術(shù)或是在傳統(tǒng)3D打印技術(shù)工藝方面加以發(fā)展或改進(jìn)，或是將幾種傳統(tǒng)3D打印工藝進(jìn)行整合，或是將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合。通過比較，各自特點(diǎn)包括：

CLIP具有速度快、精度高和力學(xué)性能優(yōu)等特點(diǎn)。CLIP與SLA技術(shù)比較，原理都是光固化成型。然而不同之處在于，CLIP的固化層下面存在液態(tài)“死區(qū)”，使樹脂層可以被切得更薄，從而從樹脂材料中逐出模型；而傳統(tǒng)的SLA需逐層打印。因此，CLIP技術(shù)可以同時(shí)提高打印速度與精度。

PolyJet具有精度高、支持多材料多顏色打印，以及環(huán)保等特點(diǎn)。PolyJet是將三維噴射技術(shù)與光固化相結(jié)合，相比傳統(tǒng)的SLA，由于液態(tài)光敏樹脂是以小液滴形式噴射，產(chǎn)品表面精度高，無臺階感。重要的是PolyJet技術(shù)通過不同材料、顏色的混合，從而實(shí)現(xiàn)多材料多顏色打印。

MSL具有成本低、效率高、圖形化面積大等特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)SLA技術(shù)，由于采用更小的激光光斑（數(shù)μm），樹脂在非常小的面積發(fā)生光固化反應(yīng)，在微觀尺度上進(jìn)行材料3D打印。微立體光刻采用層厚通常是1～10 μm。

金屬材料3D打印與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合制造技術(shù)，既在一定程度上提升了傳統(tǒng)制造工藝的速度、簡化了復(fù)雜形狀成型件的加工，又彌補(bǔ)了金屬材料3D打印成型質(zhì)量和精度不高等缺陷。

CLIP、PolyJet及MSL都是由SLA發(fā)展而來，目前打印材料主要是光敏樹脂，但各自有側(cè)重點(diǎn)：CLIP致力于提高打印速度與精度；PolyJet側(cè)重打印多色多材料；MSL是通過微觀打印從而控制材料微觀結(jié)構(gòu)，而金屬材料的3D打印基于高能束熔融成型。

4 結(jié)語

隨著先進(jìn)技術(shù)、多樣材料和智能軟件的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)不僅有了實(shí)用產(chǎn)品，有的領(lǐng)域已有較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，呈現(xiàn)良好發(fā)展前景。本文從提高3D打印速度和精度的新技術(shù)、多顏色和多材料的混合一次打印、金屬零件的直接打印和超材料的打印幾個(gè)方面介紹了3D打印技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，并進(jìn)行了技術(shù)對比?？梢灶A(yù)見，未來3D打印將不斷攻克技術(shù)瓶頸，應(yīng)用越來越廣，極大改善人們的生活。

參考文獻(xiàn)

[1]盧秉恒, 李滌塵. 增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與自動化, 2013, 42(4): 1-4.

[2]王雪瑩. 3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2012(26): 3-5.

[3]Tumbleston J R, Shirvanyants D, Ermoshkin N, et al. Additive manufacturing. Continuous liquid interface production of 3D objects [J]. Science, 2015, 347(6228): 1349-1352.

[4]The Past and Future of Stereolithography (SLA) [OL]. http://3dprinters.3dsystems.com/fgure4/.

[5]一次可打印10種材料的3D打印機(jī)問世[OL]. (2015-08-26) [2016-11-16]. http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/ kjrb/html/2015-08/26/content_315042.htm?div=-1.

[6]Stratasys發(fā)布新一代多材料全彩3D打印機(jī)J75[OL]. (2016-04-05) [2016-11-16]. http://www.gkzhan.com/. news/detail/85817.html

[7]史玉升, 張李超, 白宇, 等. 3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件實(shí)現(xiàn)[J]. 中國科學(xué): 信息科學(xué), 2015, 45(2): 197-203.

[8]王華明, 張述泉, 王向明. 大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 中國激光, 2009(12): 3204-3209.

[9]黃衛(wèi)東, 李延民, 馮莉萍, 等. 金屬材料激光立體成形技術(shù)[J].材料工程, 2002(3): 40-43.

[10]薛鵬舉, 吳言, 黃俊, 等. HIP與SLS/SLM復(fù)合工藝快速高效成形復(fù)雜高性能零件[J]. 電加工與模具, 2014(1): 51-53.

[11]張海鷗, 錢應(yīng)平, 王桂蘭, 等. 等離子體激光復(fù)合直接成形的弧柱形態(tài)與成形特性[J]. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2006, 36(5): 497-506.

[12]李滌塵, 賀健康, 田小永, 等. 增材制造:實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)構(gòu)一體化制造[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(6): 129-135.

[13]NASA利用3D打印梯度材料改變金屬零部件特性[OL]. (2014-08-07) [2016-11-16]. http://www.dsti.net/Information/ News/89752

[14]蘭紅波, 李滌塵, 盧秉恒. 微納尺度3D打印[J]. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2015(9): 919-940.

[15]Zheng X, Lee H, Weisgraber T H, et al. Ultralight, ultrastiff mechanical metamaterials [J]. Science, 2014, 344(6190): 1373-1377.

Development Review on 3D Printing Technology

GUO Lu
(Wuhan Polytechnic, Wuhan, Hubei,430074, China)

3D printing technology, as one of the representatives of the third industrial revolution, has been used in many fields, benefiting people. Several new 3D printing technologies are introduced, compared with the traditional 3D technologies, and their respective characteristics are analyzed. These technologies have largely overcome the limitations such as low prototyping efficiency, insufficient prototyping precision, and solitary prototyping material. Trends of 3D printing technology are worthy to be paid attention to by relevant research and development enterprises, to achieve a further revolutionary breakthrough.

3D Printing Technology; Rapid Prototyping; Development Trend

TP273

A

2095-8412 (2016) 06-1288-05

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.064

郭璐(1986-)，女，漢族，碩士，助教。研究方向：3D打印材料。

E-mail: guolu-happy@163.com