3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

錢毅杰　白昊天　劉宇恒

摘 要：3D打印是根據(jù)數(shù)字模型，運(yùn)用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過(guò)逐層構(gòu)造的方法來(lái)生成實(shí)體物品的一種技術(shù)。目前3D打印技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域均得到了普遍運(yùn)用，并被普遍認(rèn)為會(huì)是一項(xiàng)劃時(shí)代的革命性技術(shù)，有很大可能性會(huì)導(dǎo)致新一輪的技術(shù)革命。該文憑借深入、詳盡的調(diào)研工作，先說(shuō)了3D打印技術(shù)的不同分類，闡述了3D打印中的代表性技術(shù)FDM的原理，指出了3D打印技術(shù)的發(fā)展近狀以及所遇到的攔阻，并提出了合理化的改進(jìn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：3D打印 快速成型 工作原理 發(fā)展展望

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（c）-0001-03

3D打?。═hree Dimensional Printing，3DP），是根據(jù)數(shù)字模型，運(yùn)用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過(guò)逐層構(gòu)造的方法來(lái)生成實(shí)體物品的一種成形技術(shù)。目前，3D打印被普遍關(guān)注，隨著大部分組織和個(gè)人對(duì)其的大力推進(jìn)， 3D打印技術(shù)在科學(xué)研究、航空航天、醫(yī)療等許多重要領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并對(duì)上述行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了極其顯著的影響（見(jiàn)圖1）。[1]因此對(duì)3D打印的調(diào)研工作非常具有價(jià)值和時(shí)效性。

1 3D打印技術(shù)的分類及原理

1.1 3D打印技術(shù)的分類

3D打印技術(shù)從20世紀(jì)90年代發(fā)展到現(xiàn)在，已發(fā)展出多個(gè)分支，為了更直觀清楚并全面地表現(xiàn)3D打印技術(shù)的類別，故列出表1供讀者查閱。

1.2 FDM技術(shù)的原理

鑒于調(diào)研的時(shí)間和條件限制，該文在此只介紹熔融沉積型技術(shù)（FDM）的原理，此技術(shù)是該文在創(chuàng)新項(xiàng)目中主要依托的技術(shù)，也是近年來(lái)世界上使用最多，得到應(yīng)用最為普遍的3D打印技術(shù)，在3D打印中具有代表性。對(duì)FDM技術(shù)的開(kāi)發(fā)開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，同時(shí)期電腦電子控制模塊也發(fā)展迅猛，對(duì)信息技術(shù)的依托使得3D打印的產(chǎn)品在制造精度和速度上得到了顯著提升，再加上塑料材料的便宜易得，使得FDM技術(shù)力壓群雄，在所有3D打印技術(shù)中發(fā)展最為迅速。該技術(shù)通俗地說(shuō)類似于“搭積木”，其使用的硬件包括：送絲機(jī)構(gòu)、熱熔噴頭、動(dòng)作控制機(jī)構(gòu)、成型室、工作平臺(tái)。FDM工作原理是將絲狀的塑料材料，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)擠進(jìn)已提前加熱的噴嘴中，材料在噴嘴中融化，從而具有流動(dòng)性以供打印。動(dòng)作控制裝置根據(jù)數(shù)字建模將噴頭送至指定位置，噴頭將熔融的塑料材料擠出凝固，此時(shí)動(dòng)作控制系統(tǒng)根據(jù)先前設(shè)定好的路徑在二維平面上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一層制作完成后，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上升一層，繼續(xù)按上述構(gòu)造平面，最后層層堆積形成了最終的產(chǎn)品。其系統(tǒng)組成和工作原理如圖2所示[5]。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前3D打印技術(shù)應(yīng)用很是普遍，限于調(diào)研的時(shí)間限制，該文僅以FDM技術(shù)和EBSM技術(shù)為例介紹3D打印技術(shù)當(dāng)前的應(yīng)用。FDM技術(shù)以塑料、樹(shù)脂為原料，是目前為止所使用的3D打印技術(shù)中最為普及的。EBSM技術(shù)是目前主流的以金屬為原料的3D打印技術(shù)。以這兩種技術(shù)為例能夠充分體現(xiàn)目前3D打印技術(shù)所獲得的應(yīng)用。（如圖3）

2.1 FDM技術(shù)的應(yīng)用

FDM技術(shù)作為研發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、應(yīng)用最為普遍、最為成熟的3D打印技術(shù)之一，在多個(gè)領(lǐng)域均得到很好的使用。在工業(yè)上，F(xiàn)DM技術(shù)使數(shù)字模型快速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體模型的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)，相對(duì)于以零件切割、焊接技術(shù)為主的傳統(tǒng)加工方法。FDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)擁有復(fù)雜曲面、加工難度大的小型零件的快速精確制造，并且不需提前制造模具等輔助工具，使得生產(chǎn)成本顯著下降。在醫(yī)學(xué)上，利用FDM技術(shù)，能夠打印出一些組織與器官模型，為醫(yī)生進(jìn)一步了解患者病情、制定醫(yī)療方案提供便利。甚至可以直接打印出人的骨骼和器官，拯救無(wú)數(shù)人的生命；在食品加工行業(yè)，3D打印巨頭3D Systems公司與好時(shí)合作，正在全力研發(fā)可用于制造食品的3D打印機(jī)，將適合3D打印的巧克力等食材融化后，制造出個(gè)性化的食品。

2.2 EBSM技術(shù)的應(yīng)用

電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過(guò)操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行，且電子束具有的真空環(huán)境，還可以避免金屬粉末在液相燒結(jié)或熔化過(guò)程中被氧化。近年來(lái)，世界上主要的大國(guó)都在加緊對(duì)EBSM技術(shù)的研發(fā)。目前看來(lái)，在醫(yī)學(xué)方面的研究已接近成熟，而在航空航天等領(lǐng)域的研究也在有條不紊地進(jìn)行著。美國(guó)波音機(jī)器人工廠及NASA Marshall 空間飛行器中心的研究方向，是飛行器及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)制造以及月球或空間站環(huán)境下的金屬直接成形制造。（如圖4）

3 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研發(fā)至今，已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展與創(chuàng)新，目前技術(shù)較先前已有了飛躍式的發(fā)展，技術(shù)近乎成熟，最新的科研成果表明，現(xiàn)在的3D打印技術(shù)已能夠在10 μm厚度的平面上打印超過(guò)600 dpi的物體，并可實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印。

就當(dāng)前而言，在快速成型設(shè)備行業(yè)中，有代表性的設(shè)計(jì)制造商有美國(guó)的3D Systems、Stratasys以及英國(guó)的wiiboox、Reprap等。

3D Systems公司作為目前國(guó)際上最大的3D打印開(kāi)發(fā)公司，在快速成型設(shè)備領(lǐng)域有著主導(dǎo)地位。目前，3D systems公司已制造出可實(shí)現(xiàn)600萬(wàn)色色彩表現(xiàn)的全彩3D打印機(jī)。

4 3D打印技術(shù)當(dāng)前所遇到的攔阻

雖然經(jīng)歷了幾十年的創(chuàng)新探索并且如今在各個(gè)領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，但3D打印技術(shù)仍然有許多缺陷有待解決，如支撐材料消耗量巨大、系統(tǒng)精度低、制造過(guò)程冗長(zhǎng)以及支持的打印材料的局限性等。

缺陷一：支撐材料消耗量大，目前的3D打印不可避免地要使用支撐材料，不然模型是無(wú)法成型的，但當(dāng)需要制作一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面不平整的物體時(shí)，3D打印機(jī)往往需要使用大量的支撐材料，使得制作成本大大提高，并且降低了制作效率。對(duì)此，該文建議可引入五軸加工技術(shù)，使得打印機(jī)可以不局限在一個(gè)平面里進(jìn)行打印，并綜合運(yùn)用車銑技術(shù)，使得支撐材料的使用量降低并在一定程度上加快3D打印的速度。

缺陷二：打印材料限制性較大。當(dāng)前3D打印可使用的材料存在許多限制。而能夠用于打印的材料也有一定的缺陷，如FDM技術(shù)所用的塑料、樹(shù)脂等材料易受潮，這將使材料在打印時(shí)無(wú)法完全熔融，并造成熱熔噴頭的堵塞，對(duì)物體的最終成型產(chǎn)生十分不利的影響。塑料在熔融到凝固的過(guò)程中，由于其擁有收縮性的特性，可能會(huì)導(dǎo)致在打印中物體的變形，導(dǎo)致加工精度下降，材料浪費(fèi)，該文在此提出的改進(jìn)辦法主要是選用收縮率低的材料、采用恒溫艙等。

5 3D打印技術(shù)的展望——無(wú)支撐化3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3D打印技術(shù)發(fā)展至今，一直繞不開(kāi)的一個(gè)話題便是支撐材料，支撐材料使得3D打印物體的種類和樣式得到了巨大的擴(kuò)展，但同時(shí)也帶來(lái)了使用成本的提升，如果可以實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐化的3D打印，實(shí)現(xiàn)打印的零耗損，3D打印的材料和時(shí)間成本將大大降低。該文在此介紹兩種可能實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐的3D打印技術(shù)。

5.1 懸浮3D打印技術(shù)

這是一項(xiàng)波音公司提出并主導(dǎo)的項(xiàng)目，該技術(shù)主要的目的是利用磁懸浮技術(shù)使得被打印物體可以懸浮于空中，若這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，那么在3D打印過(guò)程中物體將可以一直保持自己的結(jié)構(gòu)而不變形。并且噴頭可以從任意角度對(duì)物體進(jìn)行打印。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)還處于理論層面，并沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，但是這項(xiàng)技術(shù)一旦成功，必將使3D打印乃至整個(gè)快速成型行業(yè)得到質(zhì)的飛躍。

5.2 HSS技術(shù)

高速激光燒結(jié)技術(shù)（High Speed Sintering，HSS）是目前謝菲爾德大學(xué)增材制造研究中心（The Centre for Advanced Additive Manufacturing （AdAM） at The University of Sheffield）重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，并且已取得了一定的進(jìn)展。把熔融的粉末狀金屬在低溫?zé)Y(jié)成打印物體，從而擺脫3D打印對(duì)支撐材料的依賴。HSS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要基于低共熔合金，這種合金由于熔點(diǎn)的差別，會(huì)在一個(gè)較低的溫度便急速冷卻凝固，在這個(gè)速度下，無(wú)論是擁有多么復(fù)雜曲面的幾何物體，都可以在沒(méi)有支撐結(jié)構(gòu)的情況下成形，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印。

6 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目——3D打印平臺(tái)的制作與改進(jìn)

6.1 研究目的

3D打印是根據(jù)數(shù)字模型，運(yùn)用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過(guò)逐層構(gòu)造的方法來(lái)生成實(shí)體物品的一種技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有著普遍的運(yùn)用，該小組希望通過(guò)細(xì)致并深入的調(diào)研，全面了解3D打印技術(shù)，并制造出有實(shí)用性的3D打印機(jī)。

6.2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該小組通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外多種期刊文獻(xiàn)，并通過(guò)實(shí)際使用3D打印機(jī)，觀察其打印過(guò)程，對(duì)3D打印技術(shù)的原理、現(xiàn)狀及今后的發(fā)展趨勢(shì)都有了一定的了解并產(chǎn)生了自己對(duì)此技術(shù)的見(jiàn)解。并基于前期深入的調(diào)查研究和Reprap公司的開(kāi)源3D打印機(jī)Prusa I3，自行制造出可用的、穩(wěn)定的3D打印平臺(tái)。

6.3 預(yù)期效果

基于前期深入的調(diào)查研究，該小組將會(huì)基于Reprap公司的開(kāi)源3D打印機(jī)Prusa I3，自行制造出可用的、穩(wěn)定的3D打印平臺(tái)。制作材料主要包括金屬、亞克力板、電路板及用3D打印技術(shù)制作出的零件，硬件構(gòu)建完成后，經(jīng)過(guò)一系列的軟件調(diào)試和精度調(diào)控后，做成可以制作合乎要求的3D打印成品的3D打印平臺(tái)。（如圖5）

6.4 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新體現(xiàn)

（1）3D打印技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單快捷的快速成型技術(shù)，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和深入研究?jī)r(jià)值。

（2）該組將自行制造出完全可用，精度合乎要求的3D打印平臺(tái)。

（3）3D打印機(jī)的部分硬件由3D打印技術(shù)制造完成，充分體現(xiàn)3D打印技術(shù)的創(chuàng)新性和相較傳統(tǒng)制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)制成的打印平臺(tái)將可以制造出各種模型及零件，節(jié)約時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本。

7 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)現(xiàn)在還在發(fā)展的上升階段，雖然我們看到了現(xiàn)在還有很多技術(shù)難關(guān)，比如彩色打印和懸浮打印很難實(shí)現(xiàn)，這都是目前急需改進(jìn)和發(fā)展的東西。不過(guò)也有許多地方是目前就可以進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展的，可以像我們剛才提到的那樣從材料上進(jìn)行改進(jìn)，或?qū)庸に竭M(jìn)行改進(jìn)，比如用五軸加工進(jìn)行改進(jìn)，把五軸加工結(jié)合起來(lái)或者是通過(guò)對(duì)算法和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，達(dá)到提高加工精度的目的。相信在不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)能有更好的發(fā)展，能做到想打印什么就打印什么，當(dāng)然，這就需要我們大家共同的努力了。

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