3D打印技術(shù)設備的現(xiàn)狀與發(fā)展

劉 智 ，趙永強 ，2

（1．陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723001；2．陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，陜西 漢中 723001）

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的“減材制造”技術(shù)，它是一種新型的增材制造方式，通過數(shù)字化模型離散目標實體模型，在通過材料的層層堆疊方法，逐漸累積出一個目標三維實體的技術(shù)。該技術(shù)在不使用傳動復雜的刀具或模具的情況下，使用熔融材料堆疊成具有復雜的傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，有效的簡化制造工藝，降低生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)工藝，具有極大地設計自由度，適用于小批量生產(chǎn)，后處理方便，產(chǎn)品可預測性高，并且一體化成型，無需復雜的裝配工序，極大簡化生產(chǎn)成本。

本文通過對比傳統(tǒng)工藝制造方法，展示了3D打印技術(shù)在實際生產(chǎn)中的優(yōu)勢，并指出不同材料對應的特有的3D打印方式和原理，歸納總結(jié)了現(xiàn)階段不同的3D打印設備的特點和方法，并列舉了幾種實現(xiàn)多自由度打印設備，列舉了3D打印技術(shù)的應用領(lǐng)域和趨勢。

1 3D打印的成形原理和方法

3D打印機作為一種將機械、控制和計算機技術(shù)基于一體的復雜一體化成型系統(tǒng)，是3D打印技術(shù)的核心設備[1，2]。3D打印機獲取到CAD實體模型、CAD實體的分層處理、通過打印機堆疊成型和實體后處理四個階段，其原理圖如圖1所示。

圖1 3D打印的成形原理示意圖

3D打印機在打印實體時，先通過計算機三維建?；蛉S掃描技術(shù)獲取實體模型，然后使用計算機分層軟件將實體模型分層產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件傳輸給3D打印機，打印機根據(jù)指令驅(qū)動打印噴頭或激光發(fā)射器按照預定路徑進行擠出材料或激光燒結(jié)，形成固化平面層，第一層打印后，打印頭會重新移動到第二層開始的位置，重復上述動作，直至循環(huán)往復堆疊成目標實體[3]。3D打印實現(xiàn)方式完全滿足現(xiàn)代人們對于虛擬化、數(shù)字化的實體模型轉(zhuǎn)化現(xiàn)實物品的追求，所以迅速在全球得到發(fā)展。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)工藝的切割或模具成型，人們發(fā)現(xiàn)其在制造內(nèi)部凹陷、空心或結(jié)構(gòu)互鎖的結(jié)構(gòu)形狀時有著無可取代的優(yōu)勢[4]。通過分析可得至少具有以下6大優(yōu)勢：

（1）高復雜度產(chǎn)品生產(chǎn)，低成本消耗。對于使用等量的材料打印出兩個復雜程度截然相反的實體所消耗的成本一樣[5]。就傳統(tǒng)工藝而言，單個復雜的實體加工意味著復雜的工序，同時對應高額成本，而3D打印方法分別打印兩個相同體積的結(jié)構(gòu)復雜和簡單的實體來說，人員應用、材料損耗和時間消耗都幾乎沒有差別[5]，如圖2所示。

圖2 復雜結(jié)構(gòu)一體成型

同時，傳統(tǒng)工藝制造的產(chǎn)品形狀都比較單一，而唯一局限3D打印形狀制造的就在于設計者的想象力[6]。

（2）簡化裝配程序和交易過程。3D打印機最主要的特點就是裝備一體化成型，無需如傳統(tǒng)工藝一樣建立不同的生產(chǎn)線和運輸線來實現(xiàn)零件的運輸與組裝，極大降低了運輸和組裝帶來的時間消耗和成本提升[5]。

傳統(tǒng)工藝制造的生產(chǎn)模式是通過流水線大批量生產(chǎn)來降低成本，從而獲取利潤[7]。而3D打印技術(shù)可以根據(jù)人們個性化需求定制所需要的所需要的產(chǎn)品，這擴大了產(chǎn)品多樣化和柔性制造的引用范圍，同時降低單個成本的制造成本，加速產(chǎn)品發(fā)布，從而快速響應消費市場[8，9-11]。同時，采用3D打印制造方法，可最大限度減少工廠庫存、縮短交付時間、避免大批量運輸成本、降低產(chǎn)品生產(chǎn)導致的環(huán)境污染。

（3）降低制作門檻、設計自由度高。對于傳統(tǒng)制造工藝來說，熟練工人意味著漫長的培養(yǎng)周期，而3D打印制造的出現(xiàn)降低了生產(chǎn)制作的門檻。通過計算機的設計和分層，3D打印機的控制和制造，降低生產(chǎn)人員的技能要求，即可完成產(chǎn)品制造或復制，甚至可以在遠程控制和極端環(huán)境下（如太空）完成生產(chǎn)制造[12]。

傳統(tǒng)制造工藝復雜的實現(xiàn)方法限制了大多數(shù)設計思路，而3D打印機可以無限放寬設計人員的思想，從實現(xiàn)前所未見的形狀。

（4）攜帶方便，制造空間大。3D打印機的優(yōu)點還在于結(jié)構(gòu)輕便，便于移動，并且實體制造的大小自由度高，甚至可以實現(xiàn)打印機等體積的實體打印。同時，3D打印機無需拘泥于工廠加工，調(diào)試完成后可以在家里、辦公室實現(xiàn)產(chǎn)品制造[13]。

（5）多種材料組合打印。傳統(tǒng)制造工藝多是采用對單一金屬材料進行減材加工與生產(chǎn)，這產(chǎn)生了極大的產(chǎn)能消耗和材料浪費。相對而言，隨著3D打印機精度的提高，更加節(jié)約環(huán)保的“凈成形”制造概念逐漸興起；此外，在3D打印機上可以進行不同原材料的有機組合，產(chǎn)生色彩豐富、功能和屬性獨特的材料[14]。

（6）高精度的實體復制。隨著3D打印技術(shù)的提高和3D打印機精度的提升，我們可以進行精確的實體復制。通過使用高精度的掃描和打印技術(shù)，經(jīng)由實體化和數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，對實體對象進行精確復制與優(yōu)化。

2 3D打印方法和設備

2.1 3D打印方法

3D打印根據(jù)不同實現(xiàn)方法分為熔融沉積式（FDM）、層疊法成式（LOM）、噴墨粘粉式（3DP）、電子束選區(qū)融化（EBM）、激光選區(qū)融化（SLM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、電子束熔絲沉積（EBF）和光固化成型（SLA）[15，16]。如表 1 所示。

以上即是幾種3D打印常見的工藝方法，可以根據(jù)不同應用環(huán)境和背景選擇合適的材料和方法進行打印，以達到最好的應用效果。

2.2 3D打印設備特點

21世紀初期，由于3D打印技術(shù)的初步發(fā)展，打印精度低，傳播速度慢。直到2008年，RepRap發(fā)布了開源3D打印機“Darwin”，開啟新的3D打印時代；同年，多種材料的3D打印得以實現(xiàn)[22]?，F(xiàn)有的3D打印機的坐標系構(gòu)型主要包括4種形式，分別是Cartesian坐標系、Delta坐標系、極（Polar）坐標和平面關(guān)節(jié)（SCARA）坐標[23]，如表 2 所示。

隨著打印結(jié)構(gòu)精度的要求和對于打印過程的簡化，3D打印設備已經(jīng)不拘泥于上述幾種固定結(jié)構(gòu)，許多學者亦致力于多角度、無支撐、多軸實現(xiàn)3D打印設備的思考和研究。

表1 常見3D打印方法及其特點[5，17-21]

表2 常見3D打印設備坐標特點[24-28]

潘英等人[29]設計出一種新型并聯(lián)機器人，采用4個平行四邊形結(jié)構(gòu)和鉸接動平臺、定平臺組成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在鉸接動平臺上連接打印噴頭實現(xiàn)3D打印。如圖3所示，鉸接動平臺由四個縱向驅(qū)動模塊牽扯實現(xiàn)平行關(guān)于定平臺平面的位移變動和縱向位移層厚疊加變化。該結(jié)構(gòu)通過五自由的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)多向3D打印，并且相較于一般的并聯(lián)機構(gòu)，打印空間更大；但其無法改變鉸接帶來的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性問題和在空間變換時的失誤。

圖3 新型并聯(lián)機器人

Lee等人[30]采用細絲滾輪式3D擠出方法和五軸機床相結(jié)合，如圖4所示，打印平臺與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，使打印平臺隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，Z軸安裝打印主軸，從而實現(xiàn)無支撐的五自由度打印方法。該方法將精確的機加工方法和可實現(xiàn)快速成型復雜特征的3D打印制造方法實現(xiàn)有機結(jié)合，組成的混合系統(tǒng)可以在無支撐狀態(tài)下實現(xiàn)FDM打印。

圖4 3D打印技術(shù)與五軸機床結(jié)合

李仲宇等人[31]采用五軸機床和3D打印擠出機接和為一體，設計出一種5+1軸的增減材混合加工設備，如圖5所示，采用導軌滑塊將打印噴嘴固定在主軸夾具上，先通過噴嘴實現(xiàn)3D打印成型，然后將噴嘴滑至導軌頂端鎖止，使其不影響切削過程，在進行切削加工，處理工件表面。然而切削加工的介入，雖然有效的提高了工件表面質(zhì)量，同時也限制了工件形狀設計的自由度。

圖5 5+1軸增減材設備

Brooks B J等人[32]將3D打印技術(shù)與六自由度工業(yè)機械臂相結(jié)合，如圖6所示，將打印平臺至于工業(yè)機械臂的末端執(zhí)行器，通過改變機械臂傳輸軌跡改變末端執(zhí)行器的目標位置和方向，實現(xiàn)曲面的打印。

以上幾種結(jié)構(gòu)形式，極大地擴展了3D打印方法在商業(yè)背景下的應用，可以提供更加廣泛和精確的工件實現(xiàn)方法，提高打印實體的多樣性、結(jié)構(gòu)強度和表面精度。

圖6 3D打印與機械臂結(jié)合

3 應用領(lǐng)域與趨勢

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和完善，打印實體工件的復雜度也不斷提升。3D打印技術(shù)逐漸在航空航天、交通運輸、工業(yè)裝備、電子產(chǎn)品、醫(yī)療、教育和建筑等方面的到廣泛應用。Wohlers Associate搜集包括228家打印技術(shù)行業(yè)相關(guān)商家與企業(yè)的營收信息，得到國際快速制造行業(yè)權(quán)威報告《Wohlers Reports 2019》中統(tǒng)計的3D打印在各行業(yè)中的應用的占比如圖7所示。從圖中可以看出，交通運輸、消費電子產(chǎn)品、航天航空、醫(yī)療和工業(yè)裝備占據(jù)具有了重要的比重，這也表示了3D打印技術(shù)無論在個人消費方向還是高新技術(shù)領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景。

資料顯示，整體增材市場繼續(xù)呈現(xiàn)上升勢頭，有諸多新參與者，投資數(shù)億美元。整體市場包括107項早期關(guān)于增材市場的投資，籌集的資金總價值近13億美元。值得注意的是2018年粉末合金比重增長了41%，價格高于5000美元的工業(yè)3D打印機OEM銷售產(chǎn)量增加的同時，制造商數(shù)量從135家增長到177家，同比增長了31%。同時低于5000美元的桌面3D打印機制造商的數(shù)量有明顯下降。

圖7 3D打印技術(shù)應用領(lǐng)域

3.1 汽車行業(yè)

目前在汽車行業(yè)，3D打印技術(shù)多是應用于汽車零件設計、模具設計和原型概念設計[33]。零件和原型樣件采用3D打印可快速直觀的感受設計者的思想理念，也能夠明顯的發(fā)現(xiàn)其中問題所在，從而進行優(yōu)化產(chǎn)品，實現(xiàn)良性、快速的設計閉環(huán)。同時對于部分個性化零部件的設計和維修可以直接制造和安裝。由于現(xiàn)階段3D打印金屬件的成本較高且生產(chǎn)效率不高，僅用于部分高端車的性能改進部件。如圖8所示為3D打印出的薄壁離合器殼體。

圖8 3D打印的薄壁離合器殼體

3.2 航空航天

在航空航天領(lǐng)域，3D打印主要用于復雜零件制造、拓撲優(yōu)化制造、結(jié)構(gòu)功能部件的一體化設計、異種材料制造、發(fā)動機快速試制和模擬裝配等[34-36]。美國GE公司采用3D打印技術(shù)制造出燃油噴嘴部件，如圖9a所示，采用一體化制造，通過恰當?shù)臒崽幚磉_到傳統(tǒng)工藝鍛造的材料性能[37]。美國AeroMet公司得到美國軍方和軍機企業(yè)的支持，使用激光沉積技術(shù)對鈦合金結(jié)構(gòu)葉輪進行修復和裝機應用[38]。美國Sciaky公司聯(lián)合Lockheed和Martin等公司于2002年期間對于采用3D打印技術(shù)制造大型航空技術(shù)零件進行深入研究，并且制造出滿足AMS4999標準要求[39-41]，如圖9c所示為Sciaky公司生產(chǎn)的鈦合金飛機零件。

3.3 生物醫(yī)療

3D打印在生物醫(yī)療方面的應用主要集中于器官修復和移植、構(gòu)建軟組織支撐、骨骼或口腔頜面植入、美容整形、醫(yī)學器材和醫(yī)療輔助器械等[42-45]。如圖10所示為3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療上的應用。

在關(guān)節(jié)外科方面，通過按照患者特定的身體缺陷，打印出獨有的矯正器具；在手術(shù)內(nèi)科方面，可以通過打印患者病患模型，進行術(shù)前的方案擬定，總結(jié)出最優(yōu)手術(shù)方法，提高手術(shù)的安全性和成功率，在頜面科、骨科和口腔牙科方面，可以打印出符合患者個人特征的手術(shù)導板、助聽器、骨組織支撐、義齒或透明牙套，幫助患者整形復原；在康復科方面，打印出舒適方便的康復輔助器具等。

圖9 3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應用

圖10 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療上的應用

除上述主要領(lǐng)域外，3D打印技術(shù)也逐漸在建筑、食品、服裝甚至藝術(shù)行業(yè)得到越來越廣泛的應用。伴隨著科學的進步，3D打印技術(shù)的設備、控制系統(tǒng)和精度方面有著很大的改進和提升，成本也隨之降低，使其在人們生產(chǎn)和生活中占據(jù)越來越重的比重，同時對于人們的生產(chǎn)和生活方式也在潛移默化的發(fā)生改變。

隨著3D打印的多樣化發(fā)展和進步，成本也隨之降低，加工周期也會逐漸縮短，精度要求也會逐漸提升，原材料和能源的利用率隨之提升，環(huán)境影響逐漸減小，與網(wǎng)絡結(jié)合將日益緊密，人們可以自己參與設計，上傳和打印，打破固有的生產(chǎn)制造格局。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，打印方式的日益多樣化，打印設備的精度不斷提高，為3D打印技術(shù)在交通運輸、航空航天、工業(yè)裝備和醫(yī)療設備方面有了極大地運用和拓展，但是也僅僅適用于個別零件的替代、維修和模型的展示作用，還無法真正應用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。隨著全球各個國家政府意識到3D打印技術(shù)的重要性，并出臺了相應的扶植政策，3D打印技術(shù)勢必會高速發(fā)展，走進千家萬戶，豐富和提高生活水平與質(zhì)量。