3D打印在智能化時代中的研究進展

雷 佩 ，糜 強

（西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038）

0 引言

在制造業(yè)領(lǐng)域中，制造有四種方法。第一種方法是減法制造，即從原材料開始加工為想要的零件，比如要做一個紙杯蛋糕，可以先買一個大蛋糕，再把所有多余的東西都切掉，做成紙杯蛋糕的形狀。手工木雕、數(shù)控加工或激光切割等都屬于減法制造。第二種方法是成形，對一塊材料施加力使其尺寸發(fā)生變化，然后對其形狀和尺寸進行改變。第三種方法是鑄造，將金屬熔化后澆入鑄型中以形成預(yù)定的物件。第四種方法是增材制造（AM）。

3D打印是一個增材制造過程，AM和3D打印的范疇包含了從數(shù)字文件創(chuàng)建三維原型和結(jié)構(gòu)的一個全過程。計算機輔助設(shè)計的實體建模組件是3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)。這些實體建模數(shù)據(jù)被用于創(chuàng)建極薄的橫截面區(qū)域?qū)蛹爸圃鞆?fù)雜的形狀和表面，這些設(shè)計用傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)。

3D打印零件是逐層增材開發(fā)的，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。3D設(shè)計是在可連接到3D打印機的計算機軟件上創(chuàng)建的，該軟件可生成一種特殊類型的文件發(fā)送到打印機，3D打印機讀取該文件，并通過將一層連接到另一層上的方式來創(chuàng)建產(chǎn)品。3D打印機一次讀取單個二維層的部件，而不是一整個單個部件。3D打印機創(chuàng)建3D對象的基本過程如圖1所示。

圖1 3D打印機創(chuàng)建3D對象的基本過程

其中STL文件格式（stereolithography，光固化立體造型術(shù)的縮寫）是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一個接口協(xié)議，是一種為快速原型制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式。3D打印在制造復(fù)雜部件時具有更少的材料浪費、更少的后處理和非常低的成本等優(yōu)點，使得3D打印成為更具未來的技術(shù)。3D打印在重復(fù)使用塑料、回收和減少排放等方面也有很大的潛力。該技術(shù)還能夠制作復(fù)雜幾何形狀的設(shè)計，在重量輕、強度重量比率好的產(chǎn)品中也有很好的應(yīng)用。因此，3D打印應(yīng)用在可持續(xù)設(shè)計的生產(chǎn)中有廣闊前景。

1 3D打印工藝的類型

為了滿足高分辨率復(fù)雜模型的打印需求，AM技術(shù)應(yīng)運而生。快速成型技術(shù)在AM技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。AM技術(shù)有三種主要類型：燒結(jié)——在不液化的情況下提高材料的溫度以組成復(fù)雜的高分辨率原型；熔化——電子束用于熔化粉末；立體光刻——一種被稱為光聚合的方法，使用相關(guān)的紫外線激光。根據(jù)ASTM（美國測試與材料協(xié)會），AM被分為七個過程，包括增值光聚合、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠壓、粉末床融合、薄板層壓和直接能量沉積。

1.1 立體光刻機（SL）

3D打印時代開始于20世紀(jì)20年代末，SL是市場上最早的3D打印工藝。第一臺3D打印機用于制造3D模型、3D零件和圖案。在20世紀(jì)70年代就有許多關(guān)于3D打印的研究，1984年由查爾斯·赫爾獲得3D打印的專利[2]。

立體光刻機的工作流程，首先在系統(tǒng)上生成一個CAD文件，并將該文件轉(zhuǎn)換為STL文件類型。此STL文件類型主要為3D打印機提供所需的幾何數(shù)據(jù)。光刻機的四個組成部分是紫外（UV）可固化光聚合物液體、穿孔工作臺、激光源和控制過程的計算機。在讀取STL文件類型后，穿孔臺浸沒在液體罐中。當(dāng)工作臺向下移動時，液體聚合物通過穿孔臺流到工作臺上，當(dāng)液體接觸到工作臺的那一刻，紫外線激光就會擊中光液體聚合物的上表面，使其立即硬化。然后，工作臺再次向下移動，創(chuàng)建一層一層，每個連續(xù)的層從基礎(chǔ)層開始融合。在最后一層完成后，打印好的部分被浸入另一種樹脂中，這時3D打印的模型就從液體聚合物中分離出來了。在這個過程之后，所有層之間的粘合在特定的樹脂中變得更為牢固，之后，這個3D打印模型可以在紫外線固化烤箱中烘烤。在烤箱內(nèi)，在預(yù)定的溫度下，所有的層都變硬，強度增加，并獲得所需的表面光潔度。這就是立體光刻的全過程。立體光刻是3D打印的一種方法。在此過程中，液體光聚合物在立體光刻機（SL）的作用下制作成為3D物體。

1.2 熔融沉積成型（FDM）

FDM是一種熱塑性聚合物，大部分為絲狀線材。該熱塑性長絲被噴嘴加熱到熔點，然后一層一層地推出，形成一個3D物體[3]。FDM技術(shù)是由Scott Crump在20世紀(jì)90年代早期由美國Stratasys公司引進的。用于FDM的3D打印機包含一個與自由度相關(guān)的支撐底座，并且可以在垂直方向上上下移動。在底板上，有一個連接絲線的擠出機，負責(zé)將絲線加熱到熔點，然后在噴嘴的幫助下一層一層地擠出，形成所需的物體。擠出機可以在三個方向（X、Y和Z）移動，相鄰層可以得到鞏固彼此的作用，沉積是由擠出機完成的。根據(jù)產(chǎn)品所需要的外表，最終可將產(chǎn)品浸在樹脂中，類似于SL方法。

1.3 粉末床熔合成型（PBF）

PBF工藝使用一層薄薄的粉末構(gòu)建板，用激光或電子束將粉末熔合成幾何構(gòu)建[4]。這個過程允許激光選擇性地一層一層地聚合粉末，從而得到三維切片。PBF工藝在前一層的連接層上鋪上粉末，為后一層的工藝做好準(zhǔn)備，產(chǎn)生的不是連續(xù)的輸出（盡管如此，每一層都與相鄰層連接）。料斗輸送粉末狀的金屬，然后通過滾筒或刷子均勻地散布在粉末床上。在生產(chǎn)過程中的，粉末的最佳厚度和所要制作的模型有關(guān)。選擇性激光燒結(jié)（SLS）、電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）、直接金屬激光熔煉（DMLM）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）都是粉末床熔合（PBF）的統(tǒng)稱。

1.4 選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）

在20世紀(jì)80年代中期，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Deckard博士和Joe Beaman博士發(fā)明了這種方法[5]。選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種快速成型方法，通過將連續(xù)的粉末材料層粘合在一起，以形成所需的模型。計算出表面和末端融合的數(shù)據(jù)后，CO2/N2激光器將粉末層凝固。在這種方法中，通常使用化合物粉末。粉末可以是熱塑性、陶瓷、玻璃、金屬等。如果使用的粉末是由金屬制成的，那么這種方法就被稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）。SLS打印機由兩個腔室組成，動力從第一個腔室傳達到第二個腔室，在第二腔室進行制造。這種粉末在低于熔點的溫度下加熱，矯直機或滾輪在粉末形成層的頂部，這種制造完成后，還需要進行精加工。

1.5 粘結(jié)劑噴射成型（BJ）

粘合劑噴射是噴墨技術(shù)改進版。它使用噴墨技術(shù)而不是激光技術(shù)來生成這個構(gòu)建[6]。它使用噴墨2D打印機技術(shù)來形成3D構(gòu)建。在這個過程中，兩個軸上移動的打印頭精確噴射液體粘合劑。這個過程也跟任何其他3D打印過程一樣，通過創(chuàng)建3D繪圖，然后將其導(dǎo)入打印機軟件中。由于印刷過程中需要不斷地供應(yīng)粉末，因此分配器將需要使用的粉末放入其中來確保供應(yīng)。在應(yīng)用不同厚度的粉末片后，打印頭根據(jù)需求將粘合劑附著在一起，再使用熒光燈或電燈將含有粘合劑的溶劑進行干燥。之后，粉末床降級，并應(yīng)用新的粉末。在循環(huán)完成后，將粘合劑放入爐中。爐中的溫度和所需時間等因素取決于所使用的粘結(jié)劑的性質(zhì)。金屬和陶瓷部件在使用前必須經(jīng)過燒結(jié)、滲濾、熱處理等預(yù)處理。大多數(shù)金屬和塑料材料不需要任何后處理，只要從打印系統(tǒng)中出來就可以使用了。

1.6 直接能量沉積技術(shù)（DED）

與其他3D打印工藝不同，這種方法主要用于維修和維護。DED技術(shù)由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區(qū)，熔化后逐層沉積而形成造構(gòu)[7]。DED工藝設(shè)備由能量源集成的沉積頭和兩個給粉噴嘴組成。在這個過程中，既可以給金屬粉末，也可以給細線。要制造的特定部件保持在一個平臺上，沉積頭的方向（沉積粉末束和激光束）是一個4軸或5軸機器。DED工藝使用一個集中的熱供應(yīng)（電子束或激光），然后材料被一層一層地固定并通過光照進行凝固，在產(chǎn)品上進行修復(fù)和增加新的材料對象。DED屬于增材制造的一種，常用于大尺寸的金屬制作。

1.7 層壓物體制造（LOM）

層壓物體制造快速成型技術(shù)是一種薄膜材料疊加過程，簡稱LOM[8]（分層實體制造）。由Helisys的Michael Feygin于1986年在美國成功開發(fā)。

這是一種快速制作原型的過程，先將紙、塑料或金屬層壓板環(huán)氧化在一起，再使用激光切割機根據(jù)三維CAD模型各部分的輪廓線切割成項目或模型所需的形式。在計算機的控制下，發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭在X和Y方向上移動。進料機將熱熔涂覆的箔（例如涂布紙、涂覆的陶瓷箔、金屬箔、塑料箔）送到工作臺的頂部。激光切割系統(tǒng)根據(jù)由計算機提供的橫截面輪廓，用CO2激光束沿著輪廓切割桌子上的紙張，并將紙張未選擇的區(qū)域切割成小塊。然后，通過熱壓機構(gòu)將一層紙壓制并粘合在一起?？缮档墓ぷ髋_支撐正在形成的工件，并且在形成每個層之后，降低紙張厚度以進給粘合和切割新的紙層。最后，形成由許多小廢料塊包圍的三維原型部件，將其取出并去除多余的廢料片就可以獲得三維產(chǎn)品。

2 3D打印工藝中的材料

由于材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)突破單一原材料的限制，現(xiàn)在的創(chuàng)新材料主要有：熱熔性塑料、光固化材料、金屬、石蠟等[9]，可以同時打印多個復(fù)雜性的物體和產(chǎn)品。3D打印中不同材料的優(yōu)點及缺點如表1所示。

表1 3D打印中不同材料的優(yōu)點及缺點

3 3D打印的發(fā)展展望與應(yīng)用

1）3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今社會發(fā)展的重要組成部分，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，傳統(tǒng)的工業(yè)制造過程被逐漸取代，3D打印技術(shù)可以快速制造出精確的零件，大大提高了制造效率，減少了制造過程中的人工操作，降低了成本[9]。

2）3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。3D打印技術(shù)可以快速制造出精確的器官模型[10]，可制造出可以在人體生長的心臟薄膜支架及骨組織[11]，可以制作出天然牙齒。此外，3D打印技術(shù)還可以制造出各種醫(yī)療器械，從而更好地滿足患者的需求。在生物醫(yī)學(xué)工程方面，使用生物替代品來修復(fù)被破壞或受損的組織的研究取得了一定進展。

3）3D打印技術(shù)也在其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，可以制作設(shè)備模塊、嵌入式傳感器以及智能組件制造的智能部件，可以獲得實時系統(tǒng)性能的反饋，并能在運行期間進行現(xiàn)場監(jiān)測。在建筑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以快速制造出各種建筑結(jié)構(gòu)，從而大大提高建筑效率。在汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以快速制造出各種汽車零件，大大提高汽車制造效率，還可以修復(fù)汽車發(fā)動機[12]。3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)越來越受到重視，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。未來，3D打印技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>