走近3D打印技術(shù)

朱奕盈

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)

3D打印（3D printing）技術(shù)又稱三維打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。

自從1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)，到如今經(jīng)歷了將近30年的時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)3D打印技術(shù)迅速發(fā)展，為我們的生活和工業(yè)帶來了巨大的改變。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)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(shí)體模型將會(huì)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。

3D打印技術(shù)使用膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應(yīng)速度有要求，對于模型強(qiáng)度以及“打印”分辨率都有直接影響。

2 技術(shù)分類

（1）3DP技術(shù)

采用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實(shí)體模型，采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。

FDM熔融層積成型技術(shù)：FDM熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個(gè)實(shí)體造型。其成型材料種類多，成型件強(qiáng)度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。

（2）SLA立體平版印刷技術(shù)：SLA立體平版印刷技術(shù)以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完成后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實(shí)體模型。該方法成型速度快，自動(dòng)化程度高，可成形任意復(fù)雜形狀，尺寸精度高，主要應(yīng)用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。

（3）SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)：SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是通過預(yù)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計(jì)算機(jī)控制下按照界面輪廓信息對實(shí)心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型。該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應(yīng)用于鑄造業(yè)直接制作快速模具。

（4）DLP激光成型技術(shù)：DLP激光成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較相似，不過它是使用高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀來固化液態(tài)光聚合物，逐層的進(jìn)行光固化，由于每層固化時(shí)通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術(shù)速度更快。該技術(shù)成型精度高，在材料屬性、細(xì)節(jié)和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。

（5）UV紫外線成型技術(shù)：UV紫外線成型技術(shù)和SLA立體平版印刷技術(shù)比較相似類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態(tài)光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的過程中沒有噪音產(chǎn)生，在同類技術(shù)中成型的精度最高，通常應(yīng)用于精度要求高的珠寶和手機(jī)外殼等行業(yè)。

3 3D打印的應(yīng)用

1.工業(yè)制造：

產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審、功能驗(yàn)證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D 打印的小型無人飛機(jī)、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D 打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動(dòng)中。

2.文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂：

形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達(dá)載體?？苹妙愲娪啊栋⒎策_(dá)》運(yùn)用3D 打印塑造了部分角色和道具；3D 打印的小提琴接近了手工藝的水平。3D照相館也出現(xiàn)在我們的生活中。隨著配套產(chǎn)品3D掃描儀的迅速發(fā)展，我們可以把我們身邊的出現(xiàn)的實(shí)體，通過3D打印技術(shù)為我們所有?？梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)資源，利用數(shù)據(jù)庫，以及開源軟件，自己就可以打印自己喜歡的物體。可以促進(jìn)我們靈感的發(fā)揮。

3.航空航天、國防軍工：

復(fù)雜形狀、尺寸微細(xì)、特殊性能的零部件、機(jī)構(gòu)的直接制造。

4.生物醫(yī)療：

3D打印技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用，它可以直接生成器官結(jié)構(gòu)，人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。打印出立體模型，醫(yī)生據(jù)此判斷、實(shí)施復(fù)雜的手術(shù)?；颊叩男呐K手術(shù)非常復(fù)雜，醫(yī)生需要根據(jù)需要選擇適合型號(hào)的醫(yī)療器械。在術(shù)前，打印出患者的心臟模型，醫(yī)生可以對患者的心臟結(jié)構(gòu)有了更精確的判斷，研究、選擇好要放置的PDA封堵器，再加上嫻熟的技術(shù)能大大提升治療成功率，使很多原本不可能的手術(shù)成為可能。新興的生物三維打印機(jī)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一是其打印出的物體如何與身體其他器官尤其是大的組織更好地結(jié)合，因?yàn)槿魏未蛴〕鰜淼钠鞴倩蛏眢w組織都需要同身體的血管相連，而這可能非常難實(shí)現(xiàn)。一旦克服了這個(gè)技術(shù)障礙，在未來幾十年內(nèi)，生物打印技術(shù)將成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

5.消費(fèi)品：

珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY 作品的設(shè)計(jì)和制造。

6.建筑工程：

建筑模型風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬。2015年7月17日，一棟3D打印出來的兩層精裝別墅亮相西安，引起眾人驚嘆。據(jù)介紹，這棟別墅只花3小時(shí)就建成了，只需一臺(tái)起重機(jī)將獨(dú)立的客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間等模塊吊起來拼接安裝，不到3個(gè)小時(shí)，這棟兩層精裝別墅就落成了。

7.科學(xué)研究：

美國德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過對化石進(jìn)行3D掃描，利用3D打印技術(shù)做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時(shí)還做了比例縮減，更適合研究。

9.文物保護(hù)：博物館里常常會(huì)用很多復(fù)雜的替代品來保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時(shí)復(fù)制品也能將藝術(shù)或文物的影響更多更遠(yuǎn)的人。

10.食品行業(yè)：研究人員已經(jīng)開始嘗試打印巧克力了。或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機(jī)“打印”出來的。當(dāng)然，到那時(shí)可能人工制作的食品會(huì)貴很多倍。

11.個(gè)性化定制：基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個(gè)性化打印定制服務(wù)。

制約發(fā)展的因素

技術(shù)因素

現(xiàn)在三維打印技術(shù)的精度約為0.1毫米，而且打印機(jī)本身的售價(jià)偏高，對于打印一些高精度實(shí)體，存在較大誤差，由于技術(shù)原理等因素使得3D打印出的實(shí)體硬度有待于進(jìn)一步考究。

耗材

限制3D打印技術(shù)發(fā)展技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵要素就是材料，材料的昂貴使得打印出來的東西沒有較高的性價(jià)比，以及材料的粘度是否達(dá)到要求，都限制著3D打印技術(shù)的普及和推動(dòng)。

安全與道德因素

3D打印機(jī)可制作槍支，安全問題引發(fā)爭議，從網(wǎng)上免費(fèi)下載示意圖，然后在3D打印機(jī)上制作槍支，所有一切都只通過點(diǎn)擊按鈕完成。點(diǎn)擊打印，然后走開，幾小時(shí)后你就擁有一支槍了。這樣制作槍支不需要接受背景調(diào)查，沒有年齡限制，槍支身上也不需要刻上序列號(hào)或需要跟蹤槍支去處的銷售收據(jù)。所以3D打印技術(shù)帶來的安全問題也是存在爭議的，未來如何發(fā)展，還需進(jìn)一步明確。

到目前還沒有相關(guān)的法律法規(guī)對3D打印機(jī)做相關(guān)的要求，比如3D打印一定會(huì)成為趨勢，不過以后會(huì)不會(huì)出現(xiàn)與克隆方面的道德問題，讓人憂心。

3D打印需要更多的法律方面的規(guī)定，不然就有可能在非法領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。這點(diǎn)，新加坡做的很好，已經(jīng)出臺(tái)了政策。

沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化

聯(lián)合國尚未對3D打印行業(yè)建立統(tǒng)一的共性標(biāo)準(zhǔn)。由于使用3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的特點(diǎn)為小批量，個(gè)性化，這就凸顯行業(yè)共性標(biāo)準(zhǔn)的決定性意義。而國內(nèi)目前整個(gè)行業(yè)尚處于一個(gè)整合度較低，比較無序的階段。這大大制約了3D打印在國內(nèi)的大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程。

面對如此多的限制因素，我們需要更加努力不斷完善不足，以便讓3D打印技術(shù)為我們帶來更大的利益。