反重力D打印技術(shù)的一種新設(shè)想

李宏偉 黨建國(guó) 張茹軍

摘 要：傳統(tǒng)3D打印技術(shù)在打印具有空架或橋狀結(jié)構(gòu)的打印體時(shí)需要借助支撐來使其擺脫重力的影響，反重力3D打印技術(shù)為減少或去除支撐提供了可能。本文依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，提出一種設(shè)想，借助有限元軟件分析計(jì)算，結(jié)合多材料打印技術(shù)與磁懸浮技術(shù)將打印材料與磁性顆粒材料以一定的比例混合打印，實(shí)現(xiàn)反重力3D打印，從而達(dá)到3D打印不需支撐物的目的，并分析其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：3D打印；反重力打印；多材料打印；磁懸浮技術(shù)；新設(shè)想

1 背景介紹

1.1 目前3D打印面臨的問題

3D打印，又稱快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping）或“增材制造技術(shù)”，是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型技術(shù)將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品的方式，因其大大降低了制造的復(fù)雜度，被喻為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術(shù)之一。

當(dāng)我們提及3D打印機(jī)時(shí)，特別是普通桌面級(jí)FDM（Fused Deposition Modeling，熔絲沉積快速成型法）3D打印機(jī)，其通過把建好的模型離散成許多個(gè)二維截面輪廓層面，然后通過微細(xì)噴嘴將絲狀的熱溶性材料熔化為融狀體并且通過噴嘴擠壓出來，但在打印具有架空結(jié)構(gòu)或橋狀結(jié)構(gòu)時(shí)，由于融狀打印材料會(huì)受到重力的作用，因此在有些模型的打印過程中為了要保持平衡是需要添加支撐的，那么如何在不影響模型的情況下去除這些支撐呢？如果使用工具來人工去除，就需要操作者要特別小心以免損壞模型，而那些毛邊則需要通過打磨拋光來進(jìn)一步處理，從而增加了幾個(gè)額外的步驟，間接的影響了打印效果及精度，減緩了整個(gè)作業(yè)的進(jìn)程，是實(shí)現(xiàn)“一次成型”道路上的一道阻礙。

1.2 反重力3D打印技術(shù)的出現(xiàn)

現(xiàn)在的3D打印技術(shù)大都采用層層打印，逐層積累的方式來制造復(fù)雜外形的物體，這種打印方式只能在X和Y兩個(gè)維度來實(shí)現(xiàn)打印立體的效果。2013年5月，一臺(tái)名字叫Mataerial的3D打印機(jī)器人手臂可以在X、Y和Z 3個(gè)維度上進(jìn)行打印，并且不需要借助任何支撐。它是利用熱固性塑料可以在噴出的瞬間凝固的原理來擺脫重力困擾，從而實(shí)現(xiàn)了反重力打印。

2 目前的幾種反重力打印技術(shù)分析

2.1 減少支撐物

通過改進(jìn)3D打印輸出軟件算法，來達(dá)到不需要支撐的目的，較著名的是MeshMixer和Magics等軟件采用的基于三角面片外法矢量與水平面夾角法來尋找添加支撐部位的方法，或者變?yōu)楦鼮楹?jiǎn)單的支撐，如變?cè)鹊闹鶢钪螢殄F體支撐，或者通過樹狀支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，減小了支撐結(jié)構(gòu)的體積，亦或通過減少支撐結(jié)構(gòu)下層的體積和復(fù)雜性進(jìn)一步減少了支撐結(jié)構(gòu)體積。

2.2 微重力環(huán)境下進(jìn)行3D打印

2016年5月12日，我國(guó)科研人員利用拋物線飛機(jī)成功進(jìn)行了首次微重力環(huán)境下的3D打印實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)隊(duì)在法國(guó)波爾多進(jìn)行了93次拋物線飛行試驗(yàn)，用自主研發(fā)的設(shè)備和工藝成功打印了目標(biāo)樣品。

2.3 使用快速固化材料進(jìn)行3D打印

Mataerial機(jī)械人手臂可以在任何表面依據(jù)自身獨(dú)立的傾向性和平滑度打印，并且完全不需要額外的支撐，其采用了一種快速固化的樹脂來實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜曲線上進(jìn)行打印，從而達(dá)到“反重力”的效果。其原理是根據(jù)材料本身的冷凝作用，使得材料硬化之后可以支撐住以上各層，從而實(shí)現(xiàn)保證質(zhì)量的同時(shí)，減少了打印時(shí)間，降低了材料消耗。但是，要實(shí)現(xiàn)反重力，就需要再打印下一層之前有足夠的時(shí)間讓上一層充分硬化，因而打印的時(shí)間要比一般的打印要長(zhǎng)的多。

2.4 采用容易去除的支撐物

在雙打印頭普及的今天，如果在輔助打印頭中使用容易去除的材料進(jìn)行支撐打印，則可以很好的解決支撐材料不易分離的難題。一般情況下，支撐結(jié)構(gòu)使用的材料與模型的材料是不同的，它采用的是容易去除的材料，目前市面上3D打印機(jī)比較容易去除的支撐材料有：可以溶于水的凝膠狀支撐物、可溶于堿性溶液的支撐材料、可溶于酒精的支撐材料等。采用這些特殊材料作為支撐結(jié)構(gòu)的3D模型，只要把它放入水、堿性溶液或者酒精等特定溶液中，支撐便可以容易脫離，但一般這些支撐材料略貴于打印材料。

2.5 采用改進(jìn)工具去除支撐物

2015年5月，3D 2.0公司在著名眾籌平臺(tái)Kickstarer上發(fā)布了“Retouch3D：A brand new way to finish 3D prints”，該公司創(chuàng)始人Phil Newman 表示“如果是加熱創(chuàng)造了3D打印，那么加熱就是將它清理干凈的最佳方式”。

得力于Retouch 3D的工具頭工作時(shí)接近打印頭溫度，在工具頭接觸到打印體時(shí)會(huì)很容易去除多余的支撐，還可以用它對(duì)3D打印表面缺陷稍加修補(bǔ)。但是這項(xiàng)去除支撐材料或進(jìn)行修補(bǔ)的工作對(duì)操作人員的動(dòng)手能力有一定的要求，對(duì)于比較精細(xì)的部件可能會(huì)造成無法修補(bǔ)，修補(bǔ)失誤或者修補(bǔ)過度等問題。

3 反重力3D打印技術(shù)的一種新設(shè)想

結(jié)合以上幾種反重力打印技術(shù)，文章提出一種新設(shè)想，結(jié)合多材料打印技術(shù)與磁懸浮技術(shù)將打印材料與磁性顆粒材料以一定的比例混合打印，借助計(jì)算機(jī)受力分析軟件分析計(jì)算對(duì)應(yīng)距離所需磁性顆粒量實(shí)現(xiàn)3D磁懸浮打印，從而達(dá)到3D打印不需支撐物的目的，實(shí)現(xiàn)了反重力3D打印。具體流程如下：

首先在三維建模軟件中建立所需打印部件的三維CAD模型，將三維CAD模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出到針對(duì)多材料打印的打印設(shè)計(jì)軟件當(dāng)中去，運(yùn)用軟件分層離散和數(shù)控成型技術(shù)將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，結(jié)合有限元分析軟件分析計(jì)算每一平面中對(duì)應(yīng)位置與對(duì)應(yīng)距離所需磁性顆粒量及其分布方式和密度，導(dǎo)出到3D打印機(jī)里，按預(yù)先軟件設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果結(jié)合多材料3D打印技術(shù)將所需打印材料和磁性顆粒以預(yù)先的比例混合輸出，逐層打印，堆疊而成完成所需三維部件的打印。然后運(yùn)用消磁技術(shù)消去打印部件內(nèi)部的磁性顆粒的磁性。至此完成了本文中反重力3D打印實(shí)體的新設(shè)想。

4 所需技術(shù)資源

4.1 技術(shù)方面

日前，美國(guó)MIT研發(fā)出了一款可以打印10多種材料的3D打印機(jī)，該臺(tái)打印機(jī)不僅能夠混合打印多種材料，更能夠?qū)?fù)雜的電子器件，電路和傳感器等直接植入對(duì)象。多材料的混合3D打印方式的實(shí)現(xiàn)與日趨成熟為本文設(shè)想提供了技術(shù)依據(jù)。

維也納技術(shù)大學(xué)通過一種特殊的3D打印技術(shù)開發(fā)了一種新型磁鐵，研究人員使用了混合材料，包括90%的磁性顆粒及10%的聚合物粘合劑。這為打印帶磁性顆粒的打印體開辟了先路。

4.2 軟件方面

來自麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室將推出“Foundry”，這是一個(gè)可自定義設(shè)計(jì)各種機(jī)遇多材料的3D打印對(duì)象的軟件。Foundry允許用戶自由混合和匹配組合材料，并將特定屬性分配給特定對(duì)象，或者通過不同“操作”創(chuàng)造新對(duì)象。而目前的許多有限元分析軟件都可以對(duì)磁懸浮技術(shù)受力分析提供分析計(jì)算依據(jù)和模擬運(yùn)行環(huán)境。

5 應(yīng)用前景

（1）反重力3D打印物體的精度相較于普通需要支撐的3D打印物體更高，對(duì)于一些對(duì)打印物體精度要求相對(duì)較高的場(chǎng)合，反重力3D打印具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在一些微小部件的制造、醫(yī)療器械等方面有很廣闊的應(yīng)用。

（2）反重力3D打印相較于需要支撐的3D打印更加節(jié)省時(shí)間，由于不需要打印支撐物，不僅在節(jié)約了材料的同時(shí)節(jié)省了后續(xù)的清除支撐材料、修補(bǔ)打印表面所需要的時(shí)間，也進(jìn)而提高了效率。是真正的一次成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了打印的快速性和便捷性。在需要3D打印一次成型的場(chǎng)合下具有相當(dāng)?shù)那熬啊?/p>

（3）反重力3D打印在加速中國(guó)制造2025和與世界工業(yè)4.0的順利接軌中起著舉足輕重的作用，一次成型技術(shù)的完美實(shí)現(xiàn)在提高了生產(chǎn)效率的同時(shí)，也在工業(yè)4.0要求下的智能制造和智能工廠的實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮著重要的作用。

6 結(jié)束語

反重力3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為真正意義上的一次成型技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)和發(fā)展的方向，不管是原先存在的方法，還是文章中所提出的設(shè)想，都是對(duì)于反重力3D打印的一種探索，由于能力有限未能做進(jìn)一步的改進(jìn)和驗(yàn)證，希望本文能夠?qū)Ψ粗亓?D打印技術(shù)的發(fā)展有些許幫助。相信反重力3D打印技術(shù)的日趨完善，必將會(huì)對(duì)當(dāng)今的社會(huì)各方各面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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（作者單位：中北大學(xué) 朔州）