3D打印材料及研究熱點

□ 王紅 青島尤尼科技有限公司

3D打印材料及研究熱點

□ 王紅 青島尤尼科技有限公司

［導讀］目前，隨著3D打印技術這種新興技術的快速興起，受到了社會的廣泛關注。本文從分析3D打印技術的概念入手，對3D打印材料進行了分析研究。

3D打印技術綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。目前，3D打印技術主要應用于產品原型、模具制造，以及藝術創作、珠寶制作等領域，替代這些領域傳統依賴的精細加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫學、建筑、服裝等領域，3D打印技術的引入也為創新開拓了廣闊的空間。

一、3D 打印過程簡介

三維設計三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。折疊切片處理打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex系列還有三維 Systems? ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。 用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。折疊完成打印三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

二、3D打印技術所依托的關鍵技術

3D打印技術需要依托多個學科領域的尖端技術，主要包括以下方面：信息技術，即要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機械，即3D打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求；材料科學，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來，并具有合格的物理、化學性質。

三、關于3D打印技術的有關材料及特殊要求

3D打印技術有3DP 技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光燒結、DLP激光成型技術和UV紫外線成型技術，技術不同所用材料則完全不同，與我們普通人和家庭所應用的最為普遍的是FDM3D打印技術，這種技術可以進入到家庭，操作簡單，所用材料普遍易得，這種技術打印出產品也接近我們的生活用品，所用的材料主要是環保高分子材料，如：PLA、PCL PHA PBS PA ABS PC PS POM PVC，一般我們老百姓日常在家庭中所使用材料應考慮安全第一原則，所選材料要環保，如PLA、PCL PHA PBS 生物PA，而ABS PC PS POM PVC等不適于用于家庭應用，因為這種技術是一般是在桌面上打印，熔融的高分子材料所產生的氣味或是分解產生有害物質直接與我們的人和家庭成員接觸，容易造成安全問題，所以在家庭使用時一般建議用生物材料合成的高分子材料。工業零件等需要有一定強度功能的制件可以選擇相適應的材料。

3D打印要實現快速產業化，產學研相結合是一條捷徑，在技術積累、商業開發和資本動作方面還需要更多的知本和資本的投入。具體科研成果需要走出實驗工廠迅速實現規模化和產業化發展。原材料也是制約我國3D打印技術發展的一大瓶頸，包括激光燒結在內的部分行業，我們不僅需要從國外購買設備，還需要進一步采購其原材料。國內并非沒有可替代產品，但質量還不夠穩定。有些是材料本身的問題，有些則是應用環境的問題。比如激光燒結粉末，這種原材料對包裝要求極嚴，不能有絲毫的氧化。

3D打印要實現真正的產業化推廣，上游原材料是一個躲不過也繞不開的核心問題，只有國內重視原材料開發，從實際需求入手解決原材料供應，才能實現3D打印的不受制于人。但因為不同的3D打印方法所需要的原材料是不同的，所以可以預見，這個突破過程可能需要較長時間。 從國家政策角度來說，任何政策的制定首先要有總體設計，這個設計一定是從底層開始的。一定要先把問題分析透徹，找到具體切入點才能具體制定。3D打印同樣如此，國家要制定相關政策支持和推動這個產業發展，需要從各方面均衡考量，最基本的就是經費問題，沒有經費投入，很多技術問題都會成為前進路上的障礙。從企業來看，更應該注重3D打印市場的發展及具體應用前景，做好市場調研，進一步確定能否實現利潤和利潤最大化。但不得不承認，3D打印產業尤其具有特殊性，具體投入很難短期見效，需要企業從一定高度來審視整個市場走勢。

四、我國3D打印技術發展現狀

近年來，我國積極探索3D打印技術的研發，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發、3D打印工業應用研究等方面，開展了積極的探索，已用部分技術處于世界先進水平。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，有望率先應用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫學領域尖端科學研究提供了關鍵的技術支撐。 在家用電器、汽車配件、通信技術、航天、軍工等領域，3D打印技術被越來越多應用到產品研發和生產中。在醫療領域，國內高水平的醫院使用3D打印技術，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內植入物。在教育領域，我國有很多高校購買了3D打印設備，開展多個學科的教育和研究工作。目前，中國已成為美國、日本、德國之后的3D打印設備擁有國。

五、結語

隨著3D打印技術的日趨成熟和3D打印材料的擴充，我們相信3D打印將會帶給我們更多的驚喜和沖擊，3D產品將會在我們的生活中觸手可及。

［1］劉欣靈.3D打印機及其工作原理［J］.網絡與信息，2012，（2）.

［2］邵宇.3D打印技術的發展與產品設計民主化［J］.工業設計，2013，（3）