3D打印技術的現狀及發展趨勢

錢毅杰　白昊天　劉宇恒

摘 要：3D打印是根據數字模型，運用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過逐層構造的方法來生成實體物品的一種技術。目前3D打印技術在多個領域均得到了普遍運用，并被普遍認為會是一項劃時代的革命性技術，有很大可能性會導致新一輪的技術革命。該文憑借深入、詳盡的調研工作，先說了3D打印技術的不同分類，闡述了3D打印中的代表性技術FDM的原理，指出了3D打印技術的發展近狀以及所遇到的攔阻，并提出了合理化的改進意見。

關鍵詞：3D打印 快速成型 工作原理 發展展望

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0001-03

3D打印（Three Dimensional Printing，3DP），是根據數字模型，運用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過逐層構造的方法來生成實體物品的一種成形技術。目前，3D打印被普遍關注，隨著大部分組織和個人對其的大力推進， 3D打印技術在科學研究、航空航天、醫療等許多重要領域得到了應用，并對上述行業發展產生了極其顯著的影響（見圖1）。[1]因此對3D打印的調研工作非常具有價值和時效性。

1 3D打印技術的分類及原理

1.1 3D打印技術的分類

3D打印技術從20世紀90年代發展到現在，已發展出多個分支，為了更直觀清楚并全面地表現3D打印技術的類別，故列出表1供讀者查閱。

1.2 FDM技術的原理

鑒于調研的時間和條件限制，該文在此只介紹熔融沉積型技術（FDM）的原理，此技術是該文在創新項目中主要依托的技術，也是近年來世界上使用最多，得到應用最為普遍的3D打印技術，在3D打印中具有代表性。對FDM技術的開發開始于20世紀90年代，同時期電腦電子控制模塊也發展迅猛，對信息技術的依托使得3D打印的產品在制造精度和速度上得到了顯著提升，再加上塑料材料的便宜易得，使得FDM技術力壓群雄，在所有3D打印技術中發展最為迅速。該技術通俗地說類似于“搭積木”，其使用的硬件包括：送絲機構、熱熔噴頭、動作控制機構、成型室、工作平臺。FDM工作原理是將絲狀的塑料材料，通過送絲機構擠進已提前加熱的噴嘴中，材料在噴嘴中融化，從而具有流動性以供打印。動作控制裝置根據數字建模將噴頭送至指定位置，噴頭將熔融的塑料材料擠出凝固，此時動作控制系統根據先前設定好的路徑在二維平面上運動，當一層制作完成后，運動控制系統上升一層，繼續按上述構造平面，最后層層堆積形成了最終的產品。其系統組成和工作原理如圖2所示[5]。

2 3D打印技術的應用

當前3D打印技術應用很是普遍，限于調研的時間限制，該文僅以FDM技術和EBSM技術為例介紹3D打印技術當前的應用。FDM技術以塑料、樹脂為原料，是目前為止所使用的3D打印技術中最為普及的。EBSM技術是目前主流的以金屬為原料的3D打印技術。以這兩種技術為例能夠充分體現目前3D打印技術所獲得的應用。（如圖3）

2.1 FDM技術的應用

FDM技術作為研發時間最長、應用最為普遍、最為成熟的3D打印技術之一，在多個領域均得到很好的使用。在工業上，FDM技術使數字模型快速轉變為實體模型的設想變成了現實，相對于以零件切割、焊接技術為主的傳統加工方法。FDM技術實現了對擁有復雜曲面、加工難度大的小型零件的快速精確制造，并且不需提前制造模具等輔助工具，使得生產成本顯著下降。在醫學上，利用FDM技術，能夠打印出一些組織與器官模型，為醫生進一步了解患者病情、制定醫療方案提供便利。甚至可以直接打印出人的骨骼和器官，拯救無數人的生命；在食品加工行業，3D打印巨頭3D Systems公司與好時合作，正在全力研發可用于制造食品的3D打印機，將適合3D打印的巧克力等食材融化后，制造出個性化的食品。

2.2 EBSM技術的應用

電子束選區熔化技術（EBSM）采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉線圈進行，且電子束具有的真空環境，還可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。近年來，世界上主要的大國都在加緊對EBSM技術的研發。目前看來，在醫學方面的研究已接近成熟，而在航空航天等領域的研究也在有條不紊地進行著。美國波音機器人工廠及NASA Marshall 空間飛行器中心的研究方向，是飛行器及火箭發動機結構制造以及月球或空間站環境下的金屬直接成形制造。（如圖4）

3 3D打印技術的發展現狀

3D打印技術從20世紀90年代開始研發至今，已經歷了幾十年的發展與創新，目前技術較先前已有了飛躍式的發展，技術近乎成熟，最新的科研成果表明，現在的3D打印技術已能夠在10 μm厚度的平面上打印超過600 dpi的物體，并可實現24位色彩的彩色打印。

就當前而言，在快速成型設備行業中，有代表性的設計制造商有美國的3D Systems、Stratasys以及英國的wiiboox、Reprap等。

3D Systems公司作為目前國際上最大的3D打印開發公司，在快速成型設備領域有著主導地位。目前，3D systems公司已制造出可實現600萬色色彩表現的全彩3D打印機。

4 3D打印技術當前所遇到的攔阻

雖然經歷了幾十年的創新探索并且如今在各個領域得到普遍的應用，但3D打印技術仍然有許多缺陷有待解決，如支撐材料消耗量巨大、系統精度低、制造過程冗長以及支持的打印材料的局限性等。

缺陷一：支撐材料消耗量大，目前的3D打印不可避免地要使用支撐材料，不然模型是無法成型的，但當需要制作一個結構復雜、表面不平整的物體時，3D打印機往往需要使用大量的支撐材料，使得制作成本大大提高，并且降低了制作效率。對此，該文建議可引入五軸加工技術，使得打印機可以不局限在一個平面里進行打印，并綜合運用車銑技術，使得支撐材料的使用量降低并在一定程度上加快3D打印的速度。

缺陷二：打印材料限制性較大。當前3D打印可使用的材料存在許多限制。而能夠用于打印的材料也有一定的缺陷，如FDM技術所用的塑料、樹脂等材料易受潮，這將使材料在打印時無法完全熔融，并造成熱熔噴頭的堵塞，對物體的最終成型產生十分不利的影響。塑料在熔融到凝固的過程中，由于其擁有收縮性的特性，可能會導致在打印中物體的變形，導致加工精度下降，材料浪費，該文在此提出的改進辦法主要是選用收縮率低的材料、采用恒溫艙等。

5 3D打印技術的展望——無支撐化3D打印技術的實現

3D打印技術發展至今，一直繞不開的一個話題便是支撐材料，支撐材料使得3D打印物體的種類和樣式得到了巨大的擴展，但同時也帶來了使用成本的提升，如果可以實現無支撐化的3D打印，實現打印的零耗損，3D打印的材料和時間成本將大大降低。該文在此介紹兩種可能實現無支撐的3D打印技術。

5.1 懸浮3D打印技術

這是一項波音公司提出并主導的項目，該技術主要的目的是利用磁懸浮技術使得被打印物體可以懸浮于空中，若這項技術實現，那么在3D打印過程中物體將可以一直保持自己的結構而不變形。并且噴頭可以從任意角度對物體進行打印。當前這項技術還處于理論層面，并沒有得到實際應用，但是這項技術一旦成功，必將使3D打印乃至整個快速成型行業得到質的飛躍。

5.2 HSS技術

高速激光燒結技術（High Speed Sintering，HSS）是目前謝菲爾德大學增材制造研究中心（The Centre for Advanced Additive Manufacturing （AdAM） at The University of Sheffield）重點研究的項目，并且已取得了一定的進展。把熔融的粉末狀金屬在低溫燒結成打印物體，從而擺脫3D打印對支撐材料的依賴。HSS技術的實現主要基于低共熔合金，這種合金由于熔點的差別，會在一個較低的溫度便急速冷卻凝固，在這個速度下，無論是擁有多么復雜曲面的幾何物體，都可以在沒有支撐結構的情況下成形，從而實現無支撐打印。

6 大學生創新創業訓練項目——3D打印平臺的制作與改進

6.1 研究目的

3D打印是根據數字模型，運用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，通過逐層構造的方法來生成實體物品的一種技術。目前，3D打印技術在各個領域都有著普遍的運用，該小組希望通過細致并深入的調研，全面了解3D打印技術，并制造出有實用性的3D打印機。

6.2 項目簡介

該小組通過查閱國內外多種期刊文獻，并通過實際使用3D打印機，觀察其打印過程，對3D打印技術的原理、現狀及今后的發展趨勢都有了一定的了解并產生了自己對此技術的見解。并基于前期深入的調查研究和Reprap公司的開源3D打印機Prusa I3，自行制造出可用的、穩定的3D打印平臺。

6.3 預期效果

基于前期深入的調查研究，該小組將會基于Reprap公司的開源3D打印機Prusa I3，自行制造出可用的、穩定的3D打印平臺。制作材料主要包括金屬、亞克力板、電路板及用3D打印技術制作出的零件，硬件構建完成后，經過一系列的軟件調試和精度調控后，做成可以制作合乎要求的3D打印成品的3D打印平臺。（如圖5）

6.4 項目特色與創新體現

（1）3D打印技術作為一種簡單快捷的快速成型技術，目前已在多個領域得到了普遍應用，具有很強的實用性和深入研究價值。

（2）該組將自行制造出完全可用，精度合乎要求的3D打印平臺。

（3）3D打印機的部分硬件由3D打印技術制造完成，充分體現3D打印技術的創新性和相較傳統制造業的優勢制成的打印平臺將可以制造出各種模型及零件，節約時間及經濟成本。

7 結語

3D打印技術現在還在發展的上升階段，雖然我們看到了現在還有很多技術難關，比如彩色打印和懸浮打印很難實現，這都是目前急需改進和發展的東西。不過也有許多地方是目前就可以進行改進和發展的，可以像我們剛才提到的那樣從材料上進行改進，或對加工水平進行改進，比如用五軸加工進行改進，把五軸加工結合起來或者是通過對算法和控制系統的改進，達到提高加工精度的目的。相信在不久的將來，3D打印技術能有更好的發展，能做到想打印什么就打印什么，當然，這就需要我們大家共同的努力了。

參考文獻

[1] 李軒，莫紅，李雙雙，等.3D 打印技術過程控制問題研究進展[J].自動化學報，2016，42（7）：983-1003.

[2] How a new manufacturing technology will change the world[J].The Economist，2012（9）.

[3] 郭日陽.3D 打印技術及產業前景[J].自動化儀表，2015（3）：5-8.

[4] 李青，王青.3D打印：一種新興的學習技術[J].遠程教育雜志，2013（4）：29-35.

[5] 唐通鳴，張政，鄧佳文，等.基于FDM的3D打印技術研究現狀與發展趨勢[J].化工新型材料，2015，43（6）：228-234.