淺析3D 打印的現(xiàn)狀與前景

關(guān)彥齊 王芳芳＊

（1、齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161000 2、齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)工業(yè)園區(qū)管委會，黑龍江 齊齊哈爾161031）

3D 打印是一種增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的生產(chǎn)原理恰恰相反，3D 打印技術(shù)是根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)進行離散/切片化，可計算出每種產(chǎn)品的數(shù)千個橫截面，確定每層的構(gòu)造方式，層堆的方式直接制造出各種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[1]。與減材加工相比3D 打印相關(guān)的金屬應用中的廢料減少了40%。此外，95%～98%的廢料可以在3D 打印中回收。本文分別從多種3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵工藝技術(shù)進行了介紹，并對3D 打印所面臨的不足、挑戰(zhàn)和未來的可能性進行客觀討論。

1 增材制造技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 國際巨頭發(fā)展現(xiàn)狀

3D 打印技術(shù)近些年發(fā)展突飛猛進，經(jīng)過重組、整合后國際上的領(lǐng)頭羊非美國3D Systems 和Stratasys 公司莫屬，另外，Shapeways 公司、英國的Reprap 等也具備一定實力。3D Systems在2019 年第四季度相繼發(fā)布了近10 種材料，最近發(fā)布的材料為VisiJet?M2S-HT90，該材料為耐用品和汽車應用而設計，非常適合在高溫環(huán)境下工作的零件（如電器、外殼和外殼）的功能性原型制作，且其具有生物相容性也非常適合醫(yī)療保健應用。Stratasys 公司2020 年初在FDM 工藝發(fā)力，研發(fā)出了F370 打印機，其人性化設計大大提升了設備的自動化程度。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)3D 打印技術(shù)起步相對國際較晚，但目前在3D 打印技術(shù)的某些領(lǐng)域已經(jīng)達到了國際的領(lǐng)先，如共享裝備股份有限公司在2015 推出了工藝、材料、軟件、集成及設備全部為國產(chǎn)化的工業(yè)級鑄造3D 打印機。在2018 年由華中科技大學等單位承接的“雜零件整體鑄造的型（芯）激光燒結(jié)材料制備與控形控性技術(shù)”項目榮獲國家科技進步二等獎，使我國增材制造鑄造領(lǐng)域在國際達到先進水平。除此之外如西北工大、北航、華中科大、清華、西交等高校在激光快速成形系統(tǒng)、激光熔融沉積方法、電子束選區(qū)熔化等方面也有了巨大的進步。

1.3 增材制造的主要關(guān)鍵技術(shù)

目前3D 打印的主要工藝有如下幾種[2-3]：

熔融沉積建模（FDM）是將熱塑性聚合物的連續(xù)長絲用于3D 打印材料層。長絲在噴嘴處加熱至半液態(tài)，然后擠出在平臺上或先前印刷層的頂部。聚合物長絲的熱塑性是該方法的基本特性，它允許長絲在印刷過程中融合在一起，然后在印刷后在室溫下固化。

選擇性激光燒結(jié)或熔化（SLS 和SLM）可用于多種聚合物，金屬和合金粉末進行燒結(jié)成型或融化凝固成型。燒結(jié)時激光功率和掃描速度是影響成型過程的主要參數(shù)，該工藝的主要缺點是工藝緩慢，包括當粉末與粘合劑熔合時的高成本和高孔隙率。

立體光刻（SLA）是使用紫外線在樹脂或單體溶液層上引發(fā)鏈反應。單體具有紫外線活性，并在活化后立即轉(zhuǎn)化為聚合物鏈。聚合后，固化樹脂層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以固定后續(xù)層。打印完成后，將未反應的樹脂除去。SLA 以低至10μm 的精細分辨率打印高質(zhì)量的零件，但它打印速度相對較慢，并且用于打印的材料范圍非常有限。

直接能量沉積（DED）已用于制造高性能超級合金。這種方法也稱為激光工程網(wǎng)成形（LENS?），激光固體成形（LSF），定向光制造（DLF），直接金屬沉積（DMD）等。用的能源直接聚焦在基板的小部分上，也用于同時熔化原料，然后將熔化的材料沉積并融合到熔化的基材中，并在激光束移動后固化。DED 通常與鈦、鉻鎳鐵合金、不銹鋼、鋁和相關(guān)合金一起用于航空航天應用。但是，與SLS 或SLM 相比，它具有較低的精度，較低的表面質(zhì)量并且可以制造復雜程度較低的零件。因此，DED 通常用于復雜度低的大型組件，也用于修復大型組件。

分層實體制造（LOM）基于對板材或材料卷的逐層切割和層疊。使用機械切割機或激光將連續(xù)層精確切割，然后將它們粘合在一起。該方法還可以通過在粘合之前去除多余的材料來促進內(nèi)部特征的構(gòu)造。切割后多余的材料留作支撐物，過程完成后可以去除并回收利用。LOM 可用于多種材料，可以減少工裝成本和制造時間，并且是用于大型結(jié)構(gòu)的最佳增材制造方法之一。但是，LOM 的表面質(zhì)量較差，與SLS 和SLM 方法相比，其尺寸精度較低。

以上是目前3D 打印常見的工藝方法，根據(jù)各自的工藝特點在不同的領(lǐng)域有不同的應用，但是這些工藝都是基于離散／堆積的原理，實現(xiàn)零件從無到有的過程。

以上是增材制造技術(shù)常用的生產(chǎn)加工方法，根據(jù)其工藝原理的不同，它們在不同的領(lǐng)域有各自的作用，但這些加工過程都是基于離散化和層疊的基本原理，實現(xiàn)零件從無到有的增材制造過程。

2 增材制造技術(shù)現(xiàn)階段的不足及前景

2.1 增材制造存在的不足

3D 打印在諸多領(lǐng)域中有著廣泛的應用，并且有省材、制造多樣化等諸多優(yōu)點。但用于3D 打印的材料有限，對材料的利用提出了挑戰(zhàn)，因此需要開發(fā)可用于3D 打印的合適材料；隨著3D 打印的普及，只要有立體模型，便可以無限的復制并打印出來，3D 打印的知識產(chǎn)權(quán)為亟需解決的問題；3D 打印具有多樣性，現(xiàn)階段已經(jīng)有打印出的活體組織的器官，是否觸碰道德底線的界限還很模糊；目前工業(yè)級的3D 打印機售價高昂，動輒幾百上千萬元，如果要迅速發(fā)展，打印機的價格還需下調(diào)。

3D 打印技術(shù)雖然可以在理論上得到絕對的高精度，但要在實際生產(chǎn)過程中得到較高的成型精度，在技術(shù)上需要研究、控制的問題仍然很多，如尺寸精度、形狀精度和表面精度，同時伴隨著翹曲變形、扭曲變形、局部缺陷和橢圓度誤差等。影響快速成型原型精度的因素有很多，主要有前期數(shù)據(jù)處理誤差、成型加工誤差、后處理誤差三個方面。另外3D 打印技術(shù)的制造特點還使其容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。因此，成分分布和凝固組織特征及形成機制、構(gòu)件內(nèi)部缺陷的形成機理和控制方法、內(nèi)部缺陷對性能的作用機制及檢測方法也是重要的研究方向。此外，3D 打印技術(shù)仍受到設備成本的限制，在我國仍不能被廣泛應用。

2.2 增材制造的前景及發(fā)展趨勢

3D 打印技術(shù)作為21 世紀一項迅速發(fā)展的新技術(shù)，其具有的獨有優(yōu)勢是顯而易見的，克服各種限制，使增材制造技術(shù)向快速化、智能化、多種材料集成化、便捷化、大型化的方向發(fā)展，并制造出高精度、高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品。

3D 打印在不久的將來可以把產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造分開。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，消費者將能夠在線購買設計，然后在家中制作產(chǎn)品。部分研發(fā)公司可以將零配件的制造承包給第三方，然后由第三方根據(jù)電器制造商提供的三維模型制造零件。由于無需保留任何庫存，因此零件成本可以降低。

3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)學市場將大有作為。生物醫(yī)學具有高復雜度，研究面臨著復雜性和創(chuàng)新方法的挑戰(zhàn)。3D 打印的柔韌性可以通過工程化新型材料來制造極其復雜的形狀，定制特定于患者的必需品。

航空、航天、船舶、新能源汽車等領(lǐng)域?qū)儆诔栃袠I(yè)，且零件一般具有復雜的幾何形狀、難于加工、需定制生產(chǎn)、輕量化、強度高等特性，待材料和強度關(guān)卡突破后可推動3D 打印在諸多領(lǐng)域的應用。

3 結(jié)論

3D 打印技術(shù)，不僅提高生產(chǎn)過程中材料的利用率，降低由于工裝投入、制造及返修帶來的加工成本，縮短研制周期，加快生產(chǎn)效率。但是目前對3D 打印過程中成型性和缺陷形成機理的研究認識還不夠深入，導致構(gòu)件的成型精度、表面粗糙度、力學性能等遠達到理想狀態(tài)；另外，在使用材料和構(gòu)件類型方面需要進一步研究。