3D打印技術(shù)概述

汪瀚寧++吳琴++秦學(xué)文

摘 要： 3D打印技術(shù)是一種利用三維數(shù)字模型逐層疊加成型的增材制造技術(shù)，其以顛覆性的制造原理被廣泛運(yùn)用于各行業(yè)與領(lǐng)域。文章對(duì)3D打印的定義、3D打印常見(jiàn)成型工藝及

一、3D打印的簡(jiǎn)介

（一）3D打印的定義

3D打印技術(shù)，學(xué)術(shù)上又稱“添加制造”（additve manufacturing）技術(shù)，也稱為增材制造或增量制造。3D打印技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品的制造方法[1]。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝，不需要龐大的機(jī)床，也不需要眾多的人力，直接由數(shù)字化文件生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

（二）3D打印的過(guò)程

對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面內(nèi)容的普通打印機(jī)，事實(shí)上傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)和某些工藝類型的3D打印在技術(shù)上確實(shí)比較接近。3D打印使用特制的設(shè)備將材料一層層地噴涂或熔結(jié)到三維空間中，最后形成所需的實(shí)體，所用設(shè)備即3D打印機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)3D打印獲得實(shí)體需要經(jīng)歷建模、分層、打印和后期處理四個(gè)主要階段。

1.三維建模

三維模型通常有兩種途徑獲取，一是通過(guò)3D掃描儀獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成三維模型；二是使用三維建模軟件從零開(kāi)始建立三維數(shù)字化模型。

2.分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機(jī)并不能直接操作3D模型。當(dāng)3D模型輸入電腦中后，需要通過(guò)打印機(jī)配備的專業(yè)軟件進(jìn)一步處理，即將模型切分為一層層薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的精度決定。

3.打印噴涂

由打印機(jī)將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到三維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實(shí)現(xiàn)方法。常見(jiàn)的有光固化方法（SLA）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結(jié)法（SLS）等。

4.后期處理

模型打印完成后一般都會(huì)有毛刺或粗糙的截面。這時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等，才能最終完成所需要的模型的制造。

（三）3D打印的特點(diǎn)

數(shù)字制造：借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動(dòng)機(jī)器設(shè)備加工制造成器件；數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。

降維制造：把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過(guò)程更柔性化。

堆積制造：采用分層制造的堆積方式對(duì)實(shí)現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更具優(yōu)勢(shì)。

直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過(guò)打印方式一次性直接制造出來(lái)，不需要通過(guò)組裝拼接等過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造，因此，制造更快速、更高效。

綠色制造：3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)減材制造相比具有較高的材料利用率，同時(shí)可以采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)減少材料使用量，降低能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)制造的綠色可持續(xù)發(fā)展。

二、3D打印常見(jiàn)成型工藝

現(xiàn)在常見(jiàn)的3D打印工藝有SLS、SLA、FDM。

（一）SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié)）

選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層一層層疊加生成所需形狀的零件。工藝原理（見(jiàn)圖1）。該工藝通常采用金屬、石蠟、陶瓷粉末等作為成型材料。成型件強(qiáng)度高、無(wú)須設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，但是成型后的工件表面比較粗糙，后期處理工藝比較復(fù)雜。

（二）SLA（Stereo lithography Appearance 立體光固化成型法）

立體光固化成型法是最早商用的3D打印技術(shù)，它采用的成型材料是液態(tài)光敏樹(shù)脂，當(dāng)特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光照射到液態(tài)材料表面時(shí)，光敏樹(shù)脂則會(huì)凝固為固體。激光由點(diǎn)到線再由線到面的依次掃描就形成一層面的成型作業(yè)，然后工作臺(tái)升降一個(gè)層片的高度，在成型下一個(gè)層面，通過(guò)這種方式制造三維實(shí)體（見(jiàn)圖2）

光固化成型法技術(shù)成熟度高、成型速度較快、表面精度較高，但是系統(tǒng)造價(jià)昂貴，成型件強(qiáng)度較低，所以還無(wú)法大范圍使用。

（三）FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積制造）

熔融沉積制造是采用低熔點(diǎn)的絲狀材料作為成型材料，通過(guò)熱噴嘴把熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，噴頭作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)做Z向運(yùn)動(dòng)，然后逐層疊加成型（見(jiàn)圖3）。這種成型工藝雖然需要設(shè)計(jì)輔助支撐結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)椴恍枰獜?fù)雜的能量束，使用維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)耗材種類相對(duì)豐富，所以該工藝使用較廣泛，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成型系統(tǒng)中的份額大約為30%。

當(dāng)然還有其他3D打印成型工藝，例如，分層實(shí)體制造（Laminated Object Manufactuing，LOM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)景、材料、成本等因素選擇合適的成型工藝。

三、3D打印的應(yīng)用及其意義

3D打印機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，從尋常百姓家的鍋碗瓢盆，到關(guān)系到國(guó)家安全的國(guó)防事業(yè)，幾乎各種領(lǐng)域都可以有它的身影。它的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只需要這些行業(yè)提供3D數(shù)據(jù)模型或原型，3D打印機(jī)均可以加工。其中這些行業(yè)中對(duì)3D打印機(jī)需求較大的包括政府、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、高科技研發(fā)、教育業(yè)及制造業(yè)。

醫(yī)療行業(yè)：從2010年美國(guó)成功打印活體器官開(kāi)始，似乎直接打印人體也并不是不可能，它更類似于克隆技術(shù)，打印出來(lái)的活體器官不會(huì)與患者排斥，還可以打印骨骼、牙齒等。我們可以預(yù)計(jì)在將來(lái)3D打印機(jī)的發(fā)展中，在醫(yī)療方面引入一個(gè)全新的人體植入概念，讓更多的患者看到希望。

產(chǎn)品研發(fā)：我們可以利用3D打印技術(shù)快速制造手板模型，這樣不但保留原有結(jié)構(gòu)的特征，還可以做比例縮減，縮短加工時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，減少產(chǎn)品改良時(shí)間，更適合產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)。

建筑設(shè)計(jì)：在建筑業(yè)，工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開(kāi)始使用3D打印機(jī)打印建筑模型，這種方法快速、低成本、環(huán)保，同時(shí)制作精美。完全符合設(shè)計(jì)者的要求，切實(shí)節(jié)省大量的材料和時(shí)間。

軍事領(lǐng)域：航空航天是3D打印技術(shù)運(yùn)用較為廣泛的領(lǐng)域之一，國(guó)內(nèi)外均已有成功的應(yīng)用案例。飛機(jī)零部件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀特異，采用傳統(tǒng)的制造方法不僅難以實(shí)現(xiàn)，而且成本高昂，而3D打印技術(shù)正好可以解決這方面的問(wèn)題。在裝備保養(yǎng)維修方面，通常需要大量備件保證裝備全壽命的保養(yǎng)維修或戰(zhàn)時(shí)的緊急維修，而3D打印技術(shù)提供的柔性制造能力能夠滿足多類型的零件制造的需求，降低經(jīng)濟(jì)成本，縮短維修保養(yǎng)周期[2]。

四、3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2016年4月5日，Wohlers Associates公司發(fā)布全球3D打印行業(yè)最新年度報(bào)告—《Wohlers Report 2016》，報(bào)告顯示，2015年全球增材制造和3D打印市場(chǎng)銷售額達(dá)51.65億美元，相比2014年增長(zhǎng)率達(dá)25.9%[3]。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將“3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”[4]，這可以充分看出3D打印機(jī)將來(lái)不是要取代某一個(gè)制造業(yè)，而是要取代幾乎所有的制造業(yè)。

3D打印技術(shù)代表著生產(chǎn)模式和先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，雖然現(xiàn)在還面臨許多挑戰(zhàn)和難題，但是它使制造工藝發(fā)生深刻變革。它改變了通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的模式，節(jié)省了材料和加工時(shí)間。同時(shí)3D打印技術(shù)帶動(dòng)制造技術(shù)的重大飛躍，3D打印技術(shù)是一門(mén)綜合應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)、控制、網(wǎng)絡(luò)及材料科學(xué)等諸多方面技術(shù)和知識(shí)的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動(dòng)新材料技術(shù)和智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大的飛躍，從而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

D打印技術(shù)向日常消費(fèi)品制造方向發(fā)展。據(jù)Wohlers Associates發(fā)布的報(bào)告顯示，去年5000美元以下的桌面級(jí)3D打印機(jī)全球共售出278000臺(tái)。報(bào)告中有一個(gè)圖說(shuō)明，從2010年到2015年，桌面級(jí)3D打印機(jī)的市場(chǎng)就像曲棍球棒一樣，增長(zhǎng)呈現(xiàn)從水平到垂直的趨勢(shì)。桌面級(jí)3D打印機(jī)將作為計(jì)算機(jī)一個(gè)外部輸出設(shè)備而應(yīng)用。它可以直接將計(jì)算機(jī)的三維圖形輸出為實(shí)體。在科學(xué)教育、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)意等方面有廣泛的前景[5]。

D打印技術(shù)向功能零件制造發(fā)展。3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于制造周期短、適合單件個(gè)性化需求、大型薄壁零件制造、鈦合金等難加工易熱成形零件制造、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件制造，在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展空間。進(jìn)一步的發(fā)展方向是提高精度和性能，同時(shí)向陶瓷零件和復(fù)合材料的增材制造技術(shù)發(fā)展。

D打印技術(shù)向智能化裝備發(fā)展。目前3D打印機(jī)在軟件和后處理方面還有許多問(wèn)題需要優(yōu)化。進(jìn)一步提高軟件的智能化和自動(dòng)化，能夠降低行業(yè)的準(zhǔn)入門(mén)檻，從而推動(dòng)3D打印技術(shù)和設(shè)備走向普通民眾。

五、結(jié)語(yǔ)

任何技術(shù)都不是萬(wàn)能的，就目前而言，傳統(tǒng)制造技術(shù)仍有很大的空間，3D打印技術(shù)應(yīng)該與傳統(tǒng)制造技術(shù)相互補(bǔ)充、支撐。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和制造精度的提高，3D打印技術(shù)以其制造原理的優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為潛力巨大的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)一樣，3D打印需要一個(gè)漫長(zhǎng)技術(shù)積累和驗(yàn)證過(guò)程，只有通過(guò)長(zhǎng)期、大量的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)和解決本身固有的問(wèn)題，才能使3D打印技術(shù)的應(yīng)用不斷向廣度和深度發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013（4）：1-4.

[2]金大元.3D打印技術(shù)及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2015（4）：9-12.

[3]Wohlers Associates Inc. Wohlers Report 2016[R].2016.

[4]第三次產(chǎn)業(yè)革命[J].經(jīng)濟(jì)學(xué)人（英），2012-04-21.

[5]Wohlers報(bào)告：2015年3D打印行業(yè)超51億美元[EB/OL].http：//www.sohu.com/n/446369319/.