3D打印漫談

撰文/梁迪

3D打印漫談

撰文/梁迪

3D打印是何方神圣？

3D打印被廣泛地認為有潛力成為顛覆性的技術。關于3D打印的相關報道也屢見報端。這個宣稱可以憑借革命性設計終結傳統制造業的3D打印究竟是什么？

3D打印和傳統制造技術的根本不同點在于其是一種增材制造方式。傳統制造技術的局限性主要在于需要密集勞動力并遵循“手工制作”的理念。然而當今的制造業已經發生了改變，自動化流程變得更加先進，同時復雜的流程往往需要應用機床、計算機以及機器人等技術。但目前這些技術無論是用于直接生產產品還是生產用于鑄造或成型的工具，都是通過在大塊原料上去除余量實現的。這也使得在制造過程中存在巨大的局限。對于許多技術的應用，傳統的設計和生產流程存在許多難以承受的制約，包括昂貴的機床設備、卡具以及對復雜零部件裝配的需求。不僅如此，傳統的減材制造方式還導致了約90%原材料的浪費。相對而言，3D打印則通過不同的技術手段以逐層疊加原材料的方式直接生成產品，其過程就像自動搭建樂高積木一樣令人耳目一新。

3D打印技術之所以令人振奮，因為它可以將天馬行空的設計制作出來，并節省從設計到生產的時間?，F在，零部件可以設計成特殊形狀而無需考慮其復雜結構帶來的裝配問題，同時也不會帶來額外的費用。由于較傳統加工方式可以節省約90%的原材料，以及通過重量更輕、強度更高的設計增加了產品的使用壽命，3D打印也被認為是高效節能的技術。

近年來，3D打印不僅僅應用于工業產品原型的制作，而是更加親民，用戶群體也向小型公司和個人靠近。這樣的策略不僅為3D打印技術拓展了廣泛的群眾基礎，而且使得3D打印技術在各領域的普及率持續增長，長遠來說，與3D打印相關的系統、材料、應用軟件、服務和輔助設備也將會不斷涌現。

3D打印的前塵往事

3D打印技術首次出現是在20世紀80年代后期，當時被稱為快速成型（RP）技術。1980年5月日本的Kodama博士首次為快速成型技術申請了專利。不幸的是Kodama博士并沒有在申請專利后的一年期限內提交完整的專利說明書。直到1986年，第一項3D打印專利頒發給了立體光固化成型技術（SLA），而這個專利屬于在1983年發明SLA設備的Charles （Chuck）Hull。隨后Hull成立了3D Systems，這也是現今在3D打印行業中經營規模最大，產品最豐富的公司之一 ！

這一時期SLA并不是唯一的RP技術，1987年，Carl Deckard為選擇性激光燒結（SLS）的RP方法申請了專利，并在1989年發布。SLS技術后來被授權給DTM公司，該公司后來被3D Systems收購。 1989年也是Stratasys公司聯合創始人之一ScottCrump申請熔融沉積造型（FDM）專利的一年，該專利在1992年頒發給Stratasys公司。FDM到目前為止仍然是Stratasys的專有技術，入門級設備應用較多，基于其開源的RepRap模式，FDM設備目前非常豐富。也是在1989年，Hans Langer在德國創辦了EOS公司，如今，EOS系統已是全球公認的質量過關，并輸出工業原型設計和產品以及3D打印的應用程序。其他的3D打印技術和工藝也不斷出現，比如由WilliamMasters獲得專利的彈道粒子制造（BPM），由Michael Feygin獲得專利的分層實體制造（LOM），由ItzchakPomerantz 等人獲得專利的光掩膜固化（SGC），以及由EmanuelSachs等人獲得專利的“三維印刷”（3DP）。90年代初期RP市場上出現越來越多的競爭企業，但只有3家公司堅持到現在—— 3D Systems、EOS 和Stratasys。

在20世紀90年代以及21世紀初，3D打印新技術持續進步，并集中在工業應用領域，由先進技術提供商在特殊模具，鑄造和直接制造應用方面主導研發，并產生新的技術術語，即快速模具（RT）、快速鑄造和快速制造（RM）等等。

在商業運作方面，Sanders Prototype（后來的Solidscape）和ZCorporation在1996年成立，Arcam在1997年成立，Objet Geometries在1998年啟動，MCP Technologies在2000年推出的SLM技術，EnvisionTec在2002年成立，ExOne在2005年成立。技術術語也隨著制造應用的增長以及在各領域被廣泛地接受，而逐漸演變為增材制造（AM）。值得注意的是，同時期的東半球3D打印技術也有所發展，但卻沒有在當時真正地影響全球市場。

在21世紀前十年，3D打印行業開始在兩個重點領域顯示出明顯的多元化跡象，在今天看來發展輪廓更加清晰。

首先，高端3D打印仍然非常昂貴，主要針對高價值、精心設計和造型復雜的零部件生產。這種高端市場仍然存在并不斷擴張，直到現在研究成果才真正地在生產中實施，并應用于航空航天、汽車、醫療和珠寶首飾等領域。

其次，3D打印系統制造商研發了“概念模型”，改善了概念創新和原型設計的功能，是專門為用戶友好、效益好的系統而開發的。這些系統可以稱桌面級設備的前奏，全部應用在工業上。而現在，3D打印機在低端市場出現了價格戰，而與此相伴的是不斷提高的打印精度、速度和不斷完善的打印材料。

3D打印被認為第四次工業革命的先鋒，不可否認已經對工業部門產生了影響。這巨大的潛力帶來的藍圖正在我們面前徐徐展開。

3　D打印技術

所有3D打印過程的起點一定是通過各種三維軟件創建的三維數字模型，對于制造商和消費者而言，無需親自建模，只需要用一臺3D掃描儀，掃描模型即可獲得可用的三維模型。隨后三維模型被切層，從而將設計模型數據轉化為3D打印機可以讀取的文件。3D打印機則根據設計和流程分層處理原材料，并最終完成打印。

目前有多種3D打印技術，分別使用不同的材料以不同的方式生成最終的產品。功能塑料、金屬、陶瓷和沙子是在工業原型的設計和生產中常用的材料。生物材料和食品也是較為火爆的3D打印材料，以供打印各種形狀活性部件或者食物。不過一般而言，在入門級市場，打印材料比較有限，而塑料是當前唯一廣泛使用的材料，比如ABS和PLA，同時也有越來越多的替代品出現，如尼龍等。同時也有越來越多的入門級設備適用于打印諸如以糖和巧克力為材料的食品。

因為零部件可以直接打印，所以生產非常精細和復雜的物品便成為可能，只需考慮功能性設計而無需擔心裝配問題。然而，需要強調的是，目前沒有任何一種3D打印工藝是現做現用的。因為在實施打印之前還有很多步驟需要執行，此外，零部件從打印開始到完全成型之間還有更多的執行工序，然而這些步驟往往被忽視。除去3D打印的設計這一必要過程以外，模型執行文件的準備和轉換也是耗時且復雜的。重點強調的是，復雜結構的零部件在打印過程中需要支撐結構也增加了打印的難度。盡管如此，持續的軟件升級也使得3D打印的功能和方案不斷完善。此外，許多零部件在打印機中成型后需要進行后期的精加工。去除支撐材料是必須的過程，同時其他諸如去除毛刺、涂油漆以及其他的傳統收尾工序也需要手工來做。

3　D打印過程面面觀

立體平板印刷（SL）

立體平板印刷（SL）是最早的3D打印工藝，也是最早實現商用的技術。SL是基于激光技術，將光敏聚合物樹脂與激光發生反應并固化，并以非常精確的方式生成超精密零部件。這是一個復雜的過程，簡單說就是把光敏聚合物樹脂放在容器中的可移動平臺上，激光束根據打印機stl文件提供的三維數據并按照X-Y軸坐標照射在樹脂的表面，使得光敏樹脂精確地固化。一旦本層固化完成，容器中的可移動平臺便在Z軸方向細微的下降，隨后，下一層將會被激光重新按照這一層的三維數據固化。此過程將一直持續到整個物體完成的成型。之后，平臺將在容器中升起，以方便移走已成型的零部件。由于SL工藝逐層固化的特性，某些零部件在成型過程中需要支撐結構以起到固定作用，這種需求在有懸臂結構以及存在鏤空設計的部件成型中更加明顯。這些支撐結構最終需要通過手工去除。按照以往提出的工藝步驟，很多使用SL技術的3D打印產品需要進行清洗和“烘干”。“烘干”即把零部件放到類似烤箱的機器中用強光照射以使光敏樹脂完全硬化。

立體平板印刷因其出色的表面光滑度被認為是最為精確的3D打印技術之一。然而其也有局限條件，因為需要后處理的步驟，以及要保證材料長時間的穩定新，這些措施會使得產品脆性有所增加。

數字光處理（DLP）

DLP也稱數字光處理，是和SL類似的3D打印技術。不同的是DLP采用更加傳統的光源，比如配置帶反光變形鏡設備的弧光燈，它將光單向地照射到光敏聚合物樹脂的整個表面，總體來講比SL技術速度更快。

DLP像SL一樣可生產具有出色分辨率的高精度零部件，也同樣需要支撐結構和后處理。然而DLP對SL的優勢是它只需要較淺的容器便可完成成型過程，這也會減少浪費和運營成本。

激光燒結/激光熔融

激光燒結和激光熔融這兩個術語可以相互替換，它們是基于激光技術的3D打印工藝，主要以金屬粉末為原材料。通過將3D模型信息提供給打印機，激光就可以在由緊實的粉末材料組成的粉床上按照X-Y坐標軸定位進行照射。當激光和粉末材料的表面接觸時，這些粉末以燒結或熔融的形式和周圍的粉末形成固體。當每層的固化完成后，粉床會逐漸下降，同時滾筒將新的粉末重新推到已下降粉床表面，并使其平滑，以便于新層粉末在激光的照射下熔融或燒結同之前層固化在一起。打印室必須完全密封以滿足成型過程中粉末材料對熔點溫度的精確要求。一旦完成打印過程，整個粉床將從打印機分離，同時附著的粉末也將同打印成品分離。這項技術的關鍵優勢是粉床可以提供對懸臂結構以及鏤空設計部件的支撐，所以在其他3D打印成型方式不能加工的復雜形狀產品可以使用激光燒結熔融。然而其也有缺點，由于激光燒結需要非常高的溫度，所以冷卻的時間會很長。另外產品結構中存在的細小空隙也是長久以來存在的問題，雖然已經有了顯著改善，但對于需要完全致密的零部件，仍需滲透其他材料來提升強度。激光燒結可以使用塑料和金屬作為原材料，但金屬燒結需要更高的電力支持以及更高的打印溫度。使用此工藝加工的零部件的強度要比SL和DLP更高，雖然表面光潔度和精度還有待提高。

Extrusion / FDM / FFF

3D打印技術利用熱塑材料的擠壓是最常見的也是最容易識別的3D打印工藝。而熔融沉積造型（FDM）憑借其應用較早而成為這項工藝最為人所熟知的名字，但FDM是一個商業名稱，由最初研發這項工藝的Stratasys公司注冊。Stratasys公司的FDM技術自上世紀90年代早期就已存在，如今已成為工業級的3D打印工藝。然而隨著入門級3D打印機的大量擴增，自2009年便出現了類似FDM的熔絲制造（FFF），目前FFF專利仍為Stratasys公司所有。最早的RepRap設備以及所有后續演進（開源和商業）都采用擠壓的方法。然而，隨著Stratasys的專利侵權文件的提出，當前入門級打印機市場將如何發展值得深思，因為所有這些設備將潛在地成為Stratasys處理專利侵權的對象。

FDM通過融化沉積塑料細線，并經由加熱的打印頭，根據由打印機提供的3D參數逐層地在成型平臺上打印，其中每一層成型的材料都會沉積并粘合在之前層上面。Stratasys已經開發了一系列工業級的材料，以供適用FDM工藝的生產使用。在入門級設備市場，打印材料較為局限，但可選的范圍越來越大。最常見的針對入門級FFF 3D打印機的材料有ABS和PLA。

FDM/FFF工藝對于任何涉及懸臂結構的結構都需要支撐結構。對于FDM還需要所使用的支撐結構為水溶性物質，以便于在完成打印后相對容易用水沖掉。此外，可用手工去除的分離式支撐材料也是很好的選擇。支撐結構雖說是入門級FFF 3D打印機的一個局限，但隨著系統升級和改進雙重擠壓頭，問題變得越來越少了。在模型制作方面，Stratasys公司的FDM工藝是精確而可靠的，雖然也必須采取后處理。對于入門級設備，FFF工藝將生產的模型精度可能會低一些，但事情正在朝著好的方向發展。

對于特殊幾何形狀的模型打印速度會降低，層與層之間的粘合也可能會導致零部件不夠致密而滲水，對于此，可通過使用丙醇后處理解決這些問題。

材料噴射

材料噴射工藝是將液體或者熔融狀態的原材料通過多噴射頭（可同時噴射系統支持的不同材料）選擇性的噴射來實現3D打印。然而材料往往是液態光敏聚合物，通過紫外線的照射固化沉積到每一層。

這種產品的性質允許同時沉積一系列材料，這意味著一個零部件可以是有具有不同特性的多種材料制作而成。材料噴射是一種非常精確的3D打印工藝，其生產的零件具有非常光滑的表面。

粘合劑噴射

打印噴頭中噴射的材料是粘合劑，并且選擇性地噴入盛放零件材料的粉床中，并逐層融合零件材料以生成所需零件。一旦該層噴射完成，粉床逐漸下降，同時由滾輪或刮刀將新的零件粉末推到已下降的粉床表面，并是表面平整光滑，在打印噴射頭下一次動作之前，附著粘合劑的這層成型并與之前層進行融合。

粘合劑噴射的優點包括具有和SLS類似的優勢，即無需支撐材料，因為粉床可以提供相同的功能。此外一系列不同的材料都可以使用，包括陶瓷和食品。另外其優勢在于可以輕松地將顏色調到粘合劑里，從而打印色彩豐富的產品。

粘合劑噴射的零部件直接從打印設備中生成，然而其強度并不如燒結出的零件，并且需要后處理來確保耐用性。

選擇性沉積層 （SDL）

選擇性沉積層 （SDL）是一種由Mcor Technologies研發并為其所有的3D打印技術。SDL的3D打印過程中使用標準復印紙來逐層構建零件。每一新層通過使用粘合劑固定到前一層，而粘合劑則通過3D數據有選擇的釋放。這意味著有較高密度粘合劑釋放的區域將會成型為零部件，而較低密度粘合劑的周圍區域將起到支撐作用，以確保零部件相對容易切割去除或者分離。

當新的紙張通過送紙機送進3D打印機，并放置在上一層中被選擇釋放粘合劑的位置之后，構建板移動到加熱板并被施加壓力。這種作用力可確保兩張紙之間的正確粘合。之后構建板回到原始的構建高度。硬質合金刀刃每次通過跟蹤物體外輪廓切割紙張以生成零部件。當切割順序完成后，3D打印機開始釋放下一層的粘合劑，一直到整個零件打印完成為止。

SDL是為數不多的可以使用CYMK顏色系統生產全彩3D打印零部件的3D打印工藝。而且因為零部件是標準紙張，所以無需后處理。

電子束熔煉（EBM）

電子束熔煉（EBM）3D打印技術是由瑞典的Arcam公司研發并專有。該金屬打印方法在零部件從金屬粉末到成型方面和直接金屬激光燒結（DMLS）工藝非常相似。但關鍵不同點在于熱源，顧名思義EBM的熱源是電子束而非激光器，而這樣的熱源需要在真空條件下開展工作。

EBM具有使用一系列金屬合金，制造全致密材料零件的能力，產品甚至達到醫用級別，所以這項技術在醫療領域內得到廣泛應用，特別在植入物方面。然而其他高科技行業，如航空航天和汽車領域也看好EBM技術，因為這項技術非常安全而且環保。