淺析現(xiàn)代3D打印技術(shù)

李初然

摘 要：第三次技術(shù)革命是發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)后科技領(lǐng)域的重大革命。3D打印技術(shù)正是第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，受到越來越多人的關(guān)注。3D打印是一種新型的制造工藝，在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和高端化的大背景下有著廣泛的使用空間。本文在在介紹3D打印的概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)，材料，及關(guān)鍵技術(shù)等方面。同時(shí)分別分析3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，以及發(fā)展?fàn)顩r，再進(jìn)一步展望3D打印的未來發(fā)展，最后指出3D打印的應(yīng)用趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3D打印 增材制造 材料工藝

中圖分類號(hào)：TP334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0091-02

1 3D打印簡(jiǎn)介

1.1 3D打印的概念

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用離散材料（液體、粉末、絲等），基于離散堆積原理，通過逐層累加的方式來制造任意復(fù)雜形狀物體的技術(shù)增材制造技術(shù)，又稱3D快速成型技術(shù)，3D打印技術(shù)，起源于20世紀(jì)80年代。于1983年，查克·赫爾發(fā)明了SLA（液態(tài)樹脂固化或光固化）3D打印技術(shù)，其發(fā)明者將它稱作立體平版印刷，3D打印技術(shù)也由此正式誕生。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建造技術(shù)不同之處，在于增材制造。增材制造技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，“自下而上”地制造零件。

1.2 3D打印的分類

現(xiàn)在較為成熟的3D打印技術(shù)主要有FDM熔融層積成型技術(shù)、3DP技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)等。

（1）FDM熔融層積成型技術(shù)。FDM熔融層積成型技術(shù)可用的材料種類多，成品精度較高，主要適用于成型小塑料件。FDM是三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)掃描得到的信息，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，直至完成。

（2）3DP技術(shù)。3DP技術(shù)可以直接打印帶有色彩的物品，但模型樣品所傳遞的信息較大。用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，逐層創(chuàng)建各部件。SLA立體平版印刷技術(shù)成型速度快，尺寸精度高，可應(yīng)用于復(fù)雜工件的快速成型。

（3）SLA技術(shù)。SLA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。

1.3 3D打印的發(fā)展情況

3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多，也受到越來越多的公司的關(guān)注。3D技術(shù)的多種優(yōu)點(diǎn)也推動(dòng)各國(guó)3D打印市場(chǎng)的發(fā)展。在減少材料損耗，加快研發(fā)周期的推動(dòng)下，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)未來數(shù)年全球3D打印市場(chǎng)將繼續(xù)快速增長(zhǎng)。據(jù)前瞻數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)顯示，2016年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模達(dá)70億美元，同比增長(zhǎng)34.62%，預(yù)計(jì)2017年將增至125億美元左右。中國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展目前不如歐美國(guó)家，主要體現(xiàn)在技術(shù)及市場(chǎng)兩方面。即技術(shù)被發(fā)展晚與投資少。所以我國(guó)的3D打印市場(chǎng)規(guī)模小于歐美國(guó)家，而且中國(guó)3D打印企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)際化，占國(guó)際市場(chǎng)份額低。

2 3D打印的特點(diǎn)

2.1 3D打印的主要特點(diǎn)

3D打印帶來了世界性制造業(yè)革命的原因，就在于以前是部件設(shè)計(jì)完全依賴于生產(chǎn)工藝能否實(shí)現(xiàn)，而3D打印機(jī)的發(fā)明，情況就不一樣了，打印出來的工件可以完全再現(xiàn)三維數(shù)據(jù)，這使得企業(yè)在生產(chǎn)部件的時(shí)候不再考慮生產(chǎn)工藝問題，任何復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)均可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)，3D打印還被稱作快速成型技術(shù)，工件的打印比以往的制造快了許多，很大程度上加快了產(chǎn)品研發(fā)周期。3D打印的另一個(gè)特點(diǎn)在于其的全自動(dòng)化。3D打印過程開始后不需人工操作，完全顛覆了工業(yè)的制造方式。3D打印使得人們可以在商店購(gòu)買到這類打印機(jī)，工廠也在進(jìn)行直接銷售?？茖W(xué)家們表示，三維打印機(jī)的使用范圍還很有限，材料限制還很大，但在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機(jī)打印出更實(shí)用，更精確，更復(fù)雜的物品。

2.2 3D打印的優(yōu)劣勢(shì)

3D打印具有制造范圍廣、制造速度快、精確的實(shí)體復(fù)制、材料的多樣性、零交付時(shí)間、材料損耗少等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在具有傳統(tǒng)制造無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也尚存在一些缺點(diǎn)。比如材料的限制、成型件的精度和表面粗糙度等性能差且成型件的尺寸受限制、成本偏高、尚不可規(guī)模化生產(chǎn)等。

3D打印仍存在一些缺陷，但可以相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印可以克服缺點(diǎn)，更好地造福人類。

3 3D打印的材料、設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)

3.1 3D打印的材料

理論上，任何材料都可用于3D打印的使用。但受3D打印工藝水平的制約，導(dǎo)致3D打印的可用材料的稀少。3D打印材料現(xiàn)在要分為光敏樹脂，金屬材料與陶瓷材料三大類。

3.1.1 光敏樹脂材料

光敏樹脂，即樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑。加入有光引發(fā)劑的原因在于，其在250～300nm的紫外線的照射下，可以立即發(fā)生聚合反應(yīng)，完成固化，以實(shí)現(xiàn)層與層間的粘合。光敏樹脂一般以液態(tài)形式存在，可用于制造高強(qiáng)度、耐高溫、防水的高級(jí)材料，常見的光敏樹脂有Somos Next材料、樹脂Somos11122材料、Somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

3.1.2 金屬材料

自從3D打印技術(shù)開始發(fā)展以來，金屬材料的3D打印使用就被各國(guó)重視，發(fā)展迅速。國(guó)防，輕工業(yè)，重工業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)就被寄予厚望，尤其是金屬物件的制造。3D打印使用的金屬材料一般要求純凈度高，粒徑分布窄，球形度好。目前，主要的金屬材料有鈦合金，不銹鋼和鋁合金材料等。endprint

3.1.3 陶瓷材料

陶瓷材料也是3D打印的主要建材。其具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)度，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好等，但其也具有脆，不易成型等缺點(diǎn)。因?yàn)樘沾刹牧纤哂械娜毕荩?D打印的成品往往會(huì)有較多的裂縫。目前，3D打印工藝的不成熟導(dǎo)致其尚不能投入商業(yè)化。

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的比例配制是陶瓷打印中重要的步驟之一。粘結(jié)劑份量越多，燒結(jié)比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度，粘結(jié)劑份量少，則不易燒結(jié)成形，比例的調(diào)配也成了目前的技術(shù)難點(diǎn)之一。

3.2 3D打印的設(shè)備

3D打印機(jī)（3D Prints）是一位名為恩里科·迪尼發(fā)明家發(fā)明的一種立體打印機(jī)。其主要有3個(gè)組成部分，分別是電子部分、軟件和機(jī)械部分。電子部分主要是指系統(tǒng)板、主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、溫度控制板，加熱管、熱敏電阻、熱床等。電子部分負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。軟件部分為固件、上位機(jī)程序、燒錄軟件等，控制整體設(shè)備的運(yùn)行與打印過程的控制。機(jī)械部分即是3D打印的工作場(chǎng)所，主要組成部件為電機(jī)、支架、同步輪、同步帶等。3D打印的方式根據(jù)坐標(biāo)軸的建立有所不同，主要分為XoY坐標(biāo)軸與極坐標(biāo)系，其功能也不盡相同。

3.3 3D打印的核心技術(shù)

3D打印的核心技術(shù)主要有FDM、SLA、SLS、3DP等幾種技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛的便是3DP和Fdm工藝。

3.3.1 3DP工藝

3DP工藝采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末。材料粉末通過噴頭用粘接劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離（0.013～0.1mm，相當(dāng)于一個(gè)層厚），供粉缸上升一個(gè)高度，按計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)鋪出粉末，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一個(gè)建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此循環(huán)送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，而且成形結(jié)束后，比較容易去除，最后取出成品，加以處理、打磨。

3.3.2 Fdm工藝

即熔融沉積成型，快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法。熔融沉積成型的原理如下：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。

4 3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印由于其為制造工藝，只要有行業(yè)需要模型與原型，就可以應(yīng)用。所以基本上可以在任意領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。3D打印需求較大的行業(yè)主要有政府、航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、高科技等行業(yè)，尤其是航天航空業(yè)。

（1）3D打印可以打印出復(fù)雜的零件，而且有較高的精度，這使得航天航空領(lǐng)域所需的一些精細(xì)，復(fù)雜的零件可以十分快速的制造。并且3D打印的快速制造的特點(diǎn)可以加快各種機(jī)械的研發(fā)周期。

（2）3D打印可以打印出模型。借助3D打印的模型，不同領(lǐng)域的人可以對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)測(cè)試，評(píng)估，不僅有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的暫時(shí)，也可避免不合格設(shè)計(jì)的大規(guī)模制造，以提高產(chǎn)品研發(fā)周期。

除了航空航天業(yè)，3D打印可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程。通過醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制造器官、骨骼等實(shí)體模型，可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計(jì)，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。3D打印不僅可以提供模型供醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)與研究，還可以提供更加豐富的治療方案。

5 3D打印技術(shù)的未來發(fā)展

3D打印還處于初步發(fā)展階段，其打印的設(shè)備尚屬于小型，但已向大型化發(fā)展。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，材料的種類將會(huì)越來越多，并且成為3D打印一大特點(diǎn)。3D打印在太空的作用也會(huì)越來越大，更好的保障任務(wù)的完成與宇航員的安全。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印發(fā)展也邁入發(fā)展的快速期。3D打印越來越朝著設(shè)備向大型化，材料向多元化發(fā)展，從地面到太空，走入千家萬(wàn)戶。

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