3D打印技術(shù)及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

趙延國(guó)，柳傳鑫，許淙博，李文秋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的工件加工，在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)(比如：空心曲面腔)加工時(shí)，難以一次成型。但是，3D打印技術(shù)的面世，其區(qū)別于傳統(tǒng)加工的減材制造，采用增材堆積技術(shù)，這一加工技術(shù)是基于現(xiàn)有3D建模技術(shù)，通過算法對(duì)模型進(jìn)行分層切片，得出單層數(shù)字輪廓坐標(biāo)及高度Z軸坐標(biāo)，然后驅(qū)動(dòng)打印部件逐層疊加，最終多層“薄片”疊加形成實(shí)體。雖然，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)的精度和加工速度，受到分層數(shù)量及單層精度的影響還不成熟，但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，筆者針對(duì)3D打印技術(shù)及設(shè)備發(fā)展情況及趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 3D打印技術(shù)發(fā)展歷程

3D打印技術(shù)雖然近年來日趨成熟，逐步得到認(rèn)可，作為一種先進(jìn)制造技術(shù)在部分領(lǐng)域被應(yīng)用，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大的促進(jìn)了這一技術(shù)的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)學(xué)者查克赫爾提出了光固化3D成型技術(shù)[1]，也稱為立體光刻技術(shù)，三年后，第一臺(tái)商業(yè)領(lǐng)域的同類3D打印機(jī)面世，同一年，其成立了3D systems公司。90年代末期，該公司其第一臺(tái)產(chǎn)品SLA-250開始面向社會(huì)。同一時(shí)期，斯科特克魯姆普提出了熔融沉積技術(shù)(FDM)，之后Stratasys公司成立。

20世紀(jì)90年代以后，3D打印技術(shù)快速發(fā)展，激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)誕生，這其中麻省理工學(xué)院的學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域研究最為突出[2]。1996年，“3D打印機(jī)”的名稱第一次被應(yīng)用在產(chǎn)品上。

2000年以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)處理量提升明顯，3D打印在趨于穩(wěn)定的同時(shí)得到新的發(fā)展。2005年，第一臺(tái)彩色打印機(jī)產(chǎn)品由ZCorp公司研制成功。2008年，第一臺(tái)開源3D打印機(jī)發(fā)布，2010年，3D打印機(jī)完成了首臺(tái)汽車外部組件成型[3]，證實(shí)了3D打印的精度逐步達(dá)到工業(yè)化加工要求，3D打印逐步呈現(xiàn)“服務(wù)化”，之后，3D打印飛機(jī)、賽車、手槍等產(chǎn)品相繼生產(chǎn)出來。

隨著技術(shù)的日趨成熟，3D的打印的發(fā)展方向也日趨凸顯，2012年，奧地利學(xué)者研制了高精度3D打印機(jī)，打印成功0.3mm賽車模型，3D打印設(shè)備的精度得到飛躍。同一年，蘇格蘭學(xué)者完成了第一例人造肝臟組織的3D打印[4]。2019年,3D打印骨組織、心臟等人體組織器官面世[5]。3D打印技術(shù)利用其高度定制化、低成本的特點(diǎn)是傳統(tǒng)制造所不具備的，利用這一特色，3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用和研究，也衍生出了多種3D打印方法。

2 3D打印技術(shù)及設(shè)備研究現(xiàn)狀

2.1 3D打印技術(shù)特點(diǎn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，也提出了多種基于不同成型原理和成型材料的打印方式，但本質(zhì)來講，3D打印技術(shù)始終是基于數(shù)字分層制造的原理。根據(jù)3D 打印所用材料的狀態(tài)及成形方法,3D打印技術(shù)可分為熔融沉積成形 (FDM)、立體光固化成形(SLA)、數(shù)字光處理成型(DLP)、分層實(shí)體制造(LOM)、電子束選區(qū)熔化 (EBM)、激光選區(qū)熔化(SLM)、直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、電子束熔絲沉積成形(EBF)、石膏3D打印 (PP)等多種方法[6-8]其特點(diǎn)如表1所述。

表1 3D打印方法及優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 3D打印設(shè)備研究現(xiàn)狀

基于不同的成型原理的3D打印技術(shù)也衍生出了不同3D打印設(shè)備，雖然，3D打印設(shè)備隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于材料的適應(yīng)性有所提升，但是3D打印設(shè)備的制造精度依舊無法達(dá)到和傳統(tǒng)加工方式同一水平，所以，設(shè)備方面的研究也是3D打印技術(shù)的應(yīng)用和研究的關(guān)鍵，筆者整理了近一兩年的額3D打印設(shè)備方面的研究現(xiàn)狀，其研究主要圍繞提升精度、力學(xué)性能等方面，進(jìn)行如下闡述。

算法方面的研究，3D打印的關(guān)鍵點(diǎn)通過算法處理得到模型的加工坐標(biāo)，直接決定了加工精度和加工路徑，間接影響了設(shè)備的壽命和精度。針對(duì)算法的研究逐步提升，北京工業(yè)大學(xué)王卓[9]在文中提出了一種模型的基于三角面片的切片算法和復(fù)合軌跡掃描算法，前者通過單次求解，提高交效率，并優(yōu)化準(zhǔn)確性，后者減少了送料電機(jī)的通斷電次數(shù)，能有效提高設(shè)備壽命和效率。大連理工大學(xué)張文懷[10]提出了一種路徑規(guī)劃算法，通過根據(jù)3D打印機(jī)控制參數(shù)對(duì)路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，提高3D打印的成品質(zhì)量和成品率。河北工程大學(xué)魏效玲[11]等在文中提出了一種通過Z軸方向特征曲線優(yōu)化模型外輪廓曲線，避免了STL文件的信息缺失，提高打印精度。四川大學(xué)韓興國(guó)[12]等在文中提出了一種蟻群算法優(yōu)化模型外形輪廓，提升打印精度和表面質(zhì)量，同時(shí)提升效率。伊朗Urmia大學(xué)Mohammad Shirmohammadi[13]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合算法，通過提取作業(yè)參數(shù)，進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化可提高打印零件表面質(zhì)量。韓國(guó)釜山大學(xué)的Giao N. Pham[14]等人提出了一種插值四面體算法對(duì)3D模型進(jìn)行優(yōu)化加密，從而優(yōu)化模型邊緣，提高打印實(shí)體質(zhì)量。烏克蘭新萊昂州立大學(xué)學(xué)者I. Litvinchev[15]等人提出一種針對(duì)不規(guī)則三角形最小長(zhǎng)提環(huán)繞算法，可應(yīng)用在3D打印支撐材料設(shè)計(jì)，可有效控制節(jié)約支撐材料，控制制造成本。通過上述闡述不難看出，通過關(guān)鍵算法的提升，對(duì)于同等條件下的3D打印機(jī)精度和制件表面、效率等方面質(zhì)量提高顯著，但是這類研究在實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)較少，對(duì)于多模型適配還有待進(jìn)一步研究和改善。

關(guān)鍵零部件的優(yōu)化及改進(jìn)，3D打印機(jī)整體包括：平臺(tái)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)等多個(gè)部件組成，關(guān)鍵零部件其直接影響3D打印機(jī)作業(yè)穩(wěn)定和精度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者，多年來進(jìn)行了大量硬件方面的優(yōu)化和研究。蘭州理工大學(xué)鄧文強(qiáng)[16]等以熔融沉積型打印機(jī)的噴嘴為研究對(duì)象，采用熵值法和灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合試驗(yàn)對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，大幅度講了出料速度和溫度誤差，提高了打印尺寸精度。陜西理工大學(xué)任禮[17]等設(shè)計(jì)了一種可針對(duì)不同物料快速更換螺桿和料筒的新結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了基于Fluent流體分析，對(duì)噴頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了打印機(jī)的運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。華北理工大學(xué)張雪靜[18]針對(duì)陶瓷3D打印機(jī)的模態(tài)進(jìn)行了分析，確定打印機(jī)的作業(yè)震動(dòng)對(duì)打印機(jī)噴頭的流動(dòng)影響較小，排出了打印精度的干擾因素。新疆大學(xué)帕提古麗·艾合麥提[19]針對(duì)噴頭的加熱組件進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化，確定了最后結(jié)構(gòu)，并試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真結(jié)果一致，保證了配合間隙的合理性。廣州大學(xué)的祁肖龍[20]針對(duì)激光熔融類3D打印機(jī)提的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，就提出了多種透鏡保護(hù)裝置，并進(jìn)行了分析和優(yōu)化選擇。隨著大量研究的應(yīng)用，3D打印機(jī)的技術(shù)進(jìn)展明顯，汽車行業(yè)、航空航天、生物醫(yī)療等大量傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制造難以實(shí)現(xiàn)或成本過大的領(lǐng)域發(fā)展尤為迅速，隨著3D打印的應(yīng)用也將在更多的領(lǐng)域。

3 3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3D打印技術(shù)代表了一種不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的加工方式，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在近數(shù)十年進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用，但是在工業(yè)生產(chǎn)中，不難發(fā)現(xiàn)，使用遠(yuǎn)不如研究所進(jìn)行的狀況，這主要受到材料、設(shè)備、制件性能等多方面原因的限制，但是也指明了設(shè)備發(fā)展方向。

3.1 應(yīng)用領(lǐng)域多樣化

3D打印技術(shù)隨著發(fā)展已經(jīng)不局限于加工領(lǐng)域，近十年來，越來越多的領(lǐng)域引入3D打印技術(shù)研究和應(yīng)用，2017～2020年，我國(guó)的3D打印規(guī)模增長(zhǎng)速度高于全球增長(zhǎng)的平均速度，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到360億元[21]的規(guī)模，這將極大的促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。筆者發(fā)現(xiàn)發(fā)展較為迅速的主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

(1) 汽車制造領(lǐng)域，汽車的研發(fā)周期一般在3年以上，顯然這一周其，對(duì)于企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是不利的，3D打印技術(shù)則可以有效縮短這一周期，其中主要集中：模具類零件、多材料復(fù)合零件、輕量化零件以及小批量零件，這充分發(fā)揮了3D打印的技術(shù)特色和優(yōu)勢(shì)，寶馬、布加迪汽車、大眾等車企將部分零件通過3D打印進(jìn)行制造[22]，包括：火花塞支座、汽車內(nèi)飾、制動(dòng)鉗[23]等多種不同類別的零件；這對(duì)于汽車工業(yè)的發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。

(2) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域， 3D打印可以高度定制，而生物組織不同的生物個(gè)體是不一樣的，3D打印能很好的滿足這一需求。于是，在骨組織、心臟等器官領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可[24]，目前主要集中一個(gè)方面的研究，其一為生物材料，這目前的3D打印器官或組組織缺乏可與人體組織相融合的活性因子，于是導(dǎo)致其能相容，而生物材料存在機(jī)械性能差的問題，所以為了滿足這一需求，開發(fā)新的3D打印生物材料[25]是是一個(gè)難點(diǎn)；其二為微觀結(jié)構(gòu)打印，生物3D打印不僅僅需要提供宏觀的器官構(gòu)建，還需要組建模擬單細(xì)胞生長(zhǎng)，涉及到微觀結(jié)構(gòu)，提高3D打印分辨率和組織構(gòu)造研究是主要的研究方向；其三為復(fù)合生物材料打印，生物打印倒進(jìn)已經(jīng)可以完成心臟、肝臟等生物組織的原型打印，但是，這些組織或氣管器官還應(yīng)具備一定的創(chuàng)傷部位修復(fù)能力，同時(shí)避免排斥反應(yīng)，需要植入同等位置細(xì)胞實(shí)現(xiàn)這一功能，需要多種生物材料復(fù)合打印營(yíng)造其生長(zhǎng)環(huán)境。3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，目前還處于初級(jí)階段，在應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)上具備廣闊的研究前景。

(3) 建筑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用不足10年，2013世界上的哥3D打印建筑在美國(guó)誕生，2014年我國(guó)的第一座3D打印建筑在上海誕生[26]，通過近幾年的發(fā)展，3D打印建筑雖然得到了一定認(rèn)可，但是在材料結(jié)構(gòu)性能，建造質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面存在一定的問題，未來，建筑的3D打印技術(shù)可以應(yīng)用在非線性曲面、室內(nèi)裝飾、高強(qiáng)度建筑[27]幾個(gè)方面具備廣闊的應(yīng)用環(huán)境。

除了上述領(lǐng)域，食品、航空航天、精密制造[28]等多個(gè)領(lǐng)域都在逐步探索，不難看出，雖然3D打印技術(shù)無論是設(shè)備還是材質(zhì)都還存在的很多問題，但是，隨著大量的研究開展，必將具備廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 打印設(shè)備及材料專用化

如3.1所述，3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域開展大量研究的同時(shí)也暴露了設(shè)備和材料的不適應(yīng)問題[29]，雖然經(jīng)過多年發(fā)展，在材質(zhì)上基本可分為塑料和金屬兩類，打印機(jī)也針對(duì)這兩類材質(zhì)進(jìn)行開發(fā)了多種不同成型方式的3D打印機(jī)，但是，近年來在建筑和生物醫(yī)療領(lǐng)域[30]的應(yīng)用，這兩方面的問題就成為限制其發(fā)展的瓶頸，這也說明作為一種革命性先進(jìn)制造技術(shù)，通用類3D打印機(jī)顯然在很多領(lǐng)域難以達(dá)到使用要求，所以在設(shè)備和材質(zhì)應(yīng)更加專用化，提高3D打印制件的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域的需求。

3.3 3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊，打印制件大可以是建筑，小可以試微觀人體組織，但是作為制造技術(shù)，以金屬3D打印為例[6]，本質(zhì)是激光焊接，存在著裂紋、氣孔等缺陷，顯然這類缺陷存在是必然且隨機(jī)的，保證制件的合格性，需要進(jìn)行檢測(cè)，但是目前無論是企標(biāo)還是國(guó)標(biāo)是缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，未來為了保證更高的規(guī)范性，必然需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備、材料、質(zhì)量、安全等多個(gè)方面進(jìn)行規(guī)范，這樣才能保證3D打印技術(shù)健康發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

3D打印技術(shù)作為未來的核心技術(shù)革命之一，在全世界社會(huì)大生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)勢(shì)必將引發(fā)深刻的革命性意義，其可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)加工更加簡(jiǎn)單，但是，必可避免其也存在局限，在筆者看來，當(dāng)前，無論是設(shè)備還是材料都還存在大量需要攻關(guān)的問題，這些問題需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累和研究?！爸袊?guó)制造”在世界占據(jù)一席之地，但是高端制造我們與國(guó)外還存在差距，故而我國(guó)應(yīng)高瞻遠(yuǎn)矚，積極有效地應(yīng)對(duì)好3D打印技術(shù)并使之為實(shí)中華民族的偉大復(fù)興而服務(wù)。