3D打印技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

馮文卿

摘 要：近年來(lái)，3D打印技術(shù)日益完善，已從實(shí)驗(yàn)階段逐步進(jìn)入到實(shí)際工程應(yīng)用，3D打印技術(shù)始于快速成型（RP）技術(shù)，集成了CAD/CAE、電工電子控制和材料科學(xué)等現(xiàn)代科技領(lǐng)域先進(jìn)研究成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。本文將詳細(xì)論述3D打印技術(shù)機(jī)理以及研究現(xiàn)狀，進(jìn)而為3D打印未來(lái)的發(fā)展指明方向。

關(guān)鍵詞：3D打印;熔融沉積成型;光固化;選擇性激光燒結(jié)

中圖分類號(hào)：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0245-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)完成了從手工業(yè)向機(jī)械化工業(yè)的過(guò)渡，從而改變了勞動(dòng)者的生活與工作方式。在今非昔比的信息化、智能化浪潮中[1]，伴隨著人們個(gè)性化的需求意見(jiàn)日漸增長(zhǎng)，未來(lái)龐大的制造工廠也會(huì)漸漸被分散的個(gè)體取代，實(shí)現(xiàn)“社會(huì)制造”。社會(huì)制造的關(guān)鍵是主動(dòng)、實(shí)時(shí)地將社會(huì)需求和社會(huì)制造能力有機(jī)地街接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)換。而3D打印是一種可以快速實(shí)現(xiàn)社會(huì)需求“數(shù)據(jù)模型”向個(gè)性化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的高新技術(shù)[2]，是聯(lián)系起由互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)組成的社會(huì)制造的網(wǎng)絡(luò)中不可分割的一部分。它通過(guò)最質(zhì)樸的方式讓民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過(guò)程，必會(huì)促進(jìn)個(gè)性化、經(jīng)濟(jì)化的設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，并會(huì)改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)和消費(fèi)模式，形成一個(gè)完整的技術(shù)鏈條，相輔相成，相互協(xié)同作用，最終達(dá)成新的產(chǎn)業(yè)革命。

3D打印又稱為增材制造，是利用離散—堆積原理和三維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體化自由成型制造的新興制造方法。與傳統(tǒng)制造方法不同，3D打印通過(guò)數(shù)字分層和物理層積技術(shù)，通過(guò)堆砌—成型的方法加工零件[3]。由于3D打印技術(shù)將三維的零件二維化重復(fù)堆疊，因此無(wú)需開(kāi)模、鑄造等復(fù)雜的工藝流程即可完成零件的制造，提高了生產(chǎn)的效率和加工精度。

1 3D打印工藝機(jī)理

1.1 SLA（光固化/立體光刻）

目前可用于該工藝的材料主要為具有感光性能的液態(tài)樹(shù)脂，即光敏樹(shù)脂。在固化時(shí)需采用激光逐漸照射液態(tài)樹(shù)脂，使之逐步固化成型。不同樹(shù)脂材料反應(yīng)原理及引發(fā)劑各不相同。以陽(yáng)離子體系為例，由于激光具有較大的能量密度，當(dāng)激光照射時(shí)陽(yáng)離子光引發(fā)劑會(huì)快速產(chǎn)生強(qiáng)質(zhì)子酸，這種強(qiáng)質(zhì)子酸的出現(xiàn)會(huì)催化樹(shù)脂材料使其快速固化聚合。SLA是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種高精度形成工藝。使用該技術(shù)制造的產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)為質(zhì)感好，強(qiáng)度佳，耐高溫，耐潮，故而主要應(yīng)用于防濕、熱的環(huán)境，如水下及礦井作業(yè)、汽車需要耐高溫的體積較大的零部件上等。缺點(diǎn)為韌性小。打造出小而薄的零件易斷裂。

SLA技術(shù)在發(fā)展愈發(fā)成熟的同時(shí)還是帶來(lái)了一些問(wèn)題?，F(xiàn)有的3D打印機(jī)設(shè)備整體體積較大，占地面積大，為運(yùn)輸、包裝帶來(lái)了極大的困難。同時(shí)，解決因內(nèi)部空間利用率低而引發(fā)的制造材料的大量浪費(fèi)也是一個(gè)極大的難題。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，可以加以如此的改造：如將掃描裝置改裝在樹(shù)脂液槽上方，大幅度減小了設(shè)備主體的占地尺寸，也便于包裝和運(yùn)輸，相較于傳統(tǒng)工藝節(jié)省了大量時(shí)間。

1.2 LOM（薄材疊層制作）

薄材疊層制作受材料、粘結(jié)劑和涂布工藝三者共同影響，其材料可以選擇厚度較小的薄片狀材料，如目前使用較多的紙材、鋁箔等金屬薄片或者塑料薄膜等。該技術(shù)采用激光切割原材料，材料之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱下熔化并使材料之間實(shí)現(xiàn)粘接，進(jìn)而逐層疊加粘合制造成品。該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是原材料成本相對(duì)其他工藝較為低廉，且容易獲取，現(xiàn)取現(xiàn)用，且環(huán)保無(wú)毒，不會(huì)對(duì)人體造成傷害。缺點(diǎn)是操作性難度較高且局限性大。只能用于低熔點(diǎn)的材料選取范圍。一般應(yīng)用于生產(chǎn)摩托車、汽車的小型發(fā)動(dòng)機(jī)零件原型件。

1.3 SLS（選擇性激光燒結(jié)）

用于SLS工藝的材料是各類粉末（如尼龍粉、玻璃粉、銅粉等）。SLS工藝適用性強(qiáng)，基本可加工目前制造用所有常見(jiàn)的材料。正因?yàn)榇硕跇I(yè)界獲得廣泛對(duì)其應(yīng)用前景的關(guān)注。它采用鋪粉棍將第一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面[4]，并給予足夠能量加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的溫度，接著利用激光逐點(diǎn)燒結(jié)，使粉末材料或包覆于粉末材料表面的粘接劑熔融并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘合;冷卻后加鋪第二層、第三層重復(fù)以上操作直至得到成品。該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是相比LOM局限性明顯縮小，既可以選擇低熔點(diǎn)材料也可以選擇高熔點(diǎn)材料，在一定程度上拓寬了生產(chǎn)面。缺點(diǎn)則是在燒結(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)粉末飛濺的現(xiàn)象，影響成品尺寸精度，且容易灼傷人體。

1.4 FDM（熔融沉積成型）

FDM技術(shù)促進(jìn)了當(dāng)前制造業(yè)的快速發(fā)展，目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天及建筑領(lǐng)域，并取得了卓越的成效。例如：FDM可以做到在不使用傳統(tǒng)金屬刀具切割的情況下，直接將所設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)快速而高效地轉(zhuǎn)化為具有優(yōu)良性能的實(shí)體模型。FDM技術(shù)的原材料是塑料或樹(shù)脂，與減材制造相比，可實(shí)現(xiàn)高效化生產(chǎn)，最大程度降低了生產(chǎn)成本，并最大限度地節(jié)約了能源。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，人們利用FDM技術(shù)制造出的人體組織器官模型，可以在臨床醫(yī)學(xué)中對(duì)重要危險(xiǎn)系數(shù)高的手術(shù)進(jìn)行模擬，從而降低患者的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在食品制造方面，人們研發(fā)出了食物3D打印機(jī)，將熔化的巧克力或者糖漿放進(jìn)噴頭并進(jìn)行建模，利用FDM技術(shù)對(duì)原材料加工成型，可以獲得造型獨(dú)特、口感均衡的食物。

目前可用于該工藝的材料主要為便于熔融的低熔點(diǎn)材料[6]，相對(duì)于LOM來(lái)說(shuō)成本較為低廉，且材料狀態(tài)一般為絲狀，又較SLS不容易飛粉。以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于取材種類繁多，如ABS、PC等常見(jiàn)塑料，故而具有強(qiáng)韌性及耐熱性。然而也具有一定的劣勢(shì)[5]：如雖然在軟件上成功建模，但在實(shí)際Z軸方向上具有各向異性，故而在垂直方向力學(xué)性能較差。且復(fù)雜產(chǎn)品表面會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階紋路，影響產(chǎn)品美觀與精度。

1.5 SLM（選擇性激光熔化）

SLM技術(shù)可以稱為建立在SLS的基礎(chǔ)之上的改良。鐵基合金在工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣，因此鐵基合金的SLM工藝也是目前較為成熟。其成型原理與SLS相似，不同點(diǎn)則在于，SLM需要添加支撐結(jié)構(gòu)。其主要作用為：支撐下層粉末，防止激光掃描時(shí)形成塌陷，影響最終成品的精確度與美觀;防止成品因熱脹冷縮而導(dǎo)致零件邊緣發(fā)生翹起。因此，SLM技術(shù)在很大程度上優(yōu)于SLS技術(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)有[6]：均采用金屬材料，極大程度地保證產(chǎn)品的高硬度、耐磨，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。然而，弊端則是金屬材料價(jià)格偏貴，更由于其自身的性質(zhì)導(dǎo)致其生產(chǎn)速率偏低，自然效率相比較其他技術(shù)而言更為偏低，目前僅限于模型或工藝品的打印制作。

2 3D打印的應(yīng)用

近幾年，隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，3D打印技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)合得愈加緊密的同時(shí)也得到了飛速發(fā)展，目前在鑄造領(lǐng)域、生物工程領(lǐng)域、藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

熔模鑄造是3D打印在金屬鑄造方面的主要的應(yīng)用[7]，一般使用熔融沉積造型（FDM）工藝來(lái)進(jìn)行加工制造，由于該技術(shù)可以精確并高質(zhì)量的完成加工任務(wù)，因此在小批量制造復(fù)雜金屬構(gòu)件中起到了重要作用。

在生物工程領(lǐng)域[8]，3D打印技術(shù)主要負(fù)責(zé)聚合物醫(yī)療材料及細(xì)胞生物的制造。前者依靠于FDM及SLS技術(shù)，基于“增材制造”原理，添加生長(zhǎng)因子、生物材料、細(xì)胞等為主要原材料，用于構(gòu)建人體組織和器官。對(duì)比與其原理相似的生物技術(shù)--基因工程中的轉(zhuǎn)基因克隆技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為明顯縮短了從開(kāi)始制造到獲得完整器官獲細(xì)胞的時(shí)間，是當(dāng)下3D打印技術(shù)的最高水平代表之一。

在藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域[9]，3D打印技術(shù)拓寬了藝術(shù)設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)思路并極大程度的降低了加工難度。不需要經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的制造流程和工藝，設(shè)計(jì)師通過(guò)在軟件上操作鼠標(biāo)建模，隨后導(dǎo)出至3D打印機(jī)進(jìn)行打印，只需一個(gè)3D One軟件和FDM技術(shù)，就可以將驚為天人的藝術(shù)作品快速加工完成。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)私人訂制，充分滿足客戶的需求，同時(shí)簡(jiǎn)化了從設(shè)計(jì)到加工的復(fù)雜流程和工藝，充分實(shí)現(xiàn)了高水平的藝術(shù)創(chuàng)作和高水平的加工能力的完美匹配。

3 結(jié)語(yǔ)

目前3D打印技術(shù)成為制造領(lǐng)域炙手可熱的課題，并在實(shí)際工程中慢慢顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)作為一種新穎的制造技術(shù)，在高速發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)著重突破原材料的限制和三維制造方面的技術(shù)難關(guān)，同時(shí)降低制造成本，讓科學(xué)技術(shù)真正造福于民。未來(lái)的3D打印技術(shù)將向著更智能化的方向發(fā)展，與傳統(tǒng)制造手工業(yè)結(jié)合，在大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，3D打印技術(shù)也許會(huì)引領(lǐng)整個(gè)制造業(yè)朝著智能化、高效化制造方向發(fā)展。

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