淺析現代3D打印技術

李初然

摘 要：第三次技術革命是發生在第二次世界大戰后科技領域的重大革命。3D打印技術正是第三次工業革命的代表性技術之一，受到越來越多人的關注。3D打印是一種新型的制造工藝，在現在工業生產自動化和高端化的大背景下有著廣泛的使用空間。本文在在介紹3D打印的概念的基礎上，重點介紹3D打印的優缺點，材料，及關鍵技術等方面。同時分別分析3D打印的應用領域，以及發展狀況，再進一步展望3D打印的未來發展，最后指出3D打印的應用趨勢。

關鍵詞：3D打印 增材制造 材料工藝

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0091-02

1 3D打印簡介

1.1 3D打印的概念

3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，采用離散材料（液體、粉末、絲等），基于離散堆積原理，通過逐層累加的方式來制造任意復雜形狀物體的技術增材制造技術，又稱3D快速成型技術，3D打印技術，起源于20世紀80年代。于1983年，查克·赫爾發明了SLA（液態樹脂固化或光固化）3D打印技術，其發明者將它稱作立體平版印刷，3D打印技術也由此正式誕生。3D打印技術與傳統建造技術不同之處，在于增材制造。增材制造技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，“自下而上”地制造零件。

1.2 3D打印的分類

現在較為成熟的3D打印技術主要有FDM熔融層積成型技術、3DP技術、SLA立體平版印刷技術等。

（1）FDM熔融層積成型技術。FDM熔融層積成型技術可用的材料種類多，成品精度較高，主要適用于成型小塑料件。FDM是三維噴頭在計算機的控制下，根據掃描得到的信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至完成。

（2）3DP技術。3DP技術可以直接打印帶有色彩的物品，但模型樣品所傳遞的信息較大。用3DP技術的3D打印機通過將液態連結體鋪放在粉末薄層上，逐層創建各部件。SLA立體平版印刷技術成型速度快，尺寸精度高，可應用于復雜工件的快速成型。

（3）SLA技術。SLA技術以光敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截面信息在液態的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，直至得到三維實體模型。

1.3 3D打印的發展情況

3D打印技術得到了快速的發展，其實際應用領域逐漸增多，也受到越來越多的公司的關注。3D技術的多種優點也推動各國3D打印市場的發展。在減少材料損耗，加快研發周期的推動下，前瞻產業研究院預計未來數年全球3D打印市場將繼續快速增長。據前瞻數據庫數據顯示，2016年全球3D打印市場規模達70億美元，同比增長34.62%，預計2017年將增至125億美元左右。中國3D打印技術的發展目前不如歐美國家，主要體現在技術及市場兩方面。即技術被發展晚與投資少。所以我國的3D打印市場規模小于歐美國家，而且中國3D打印企業尚未實現國際化，占國際市場份額低。

2 3D打印的特點

2.1 3D打印的主要特點

3D打印帶來了世界性制造業革命的原因，就在于以前是部件設計完全依賴于生產工藝能否實現，而3D打印機的發明，情況就不一樣了，打印出來的工件可以完全再現三維數據，這使得企業在生產部件的時候不再考慮生產工藝問題，任何復雜形狀的設計均可以通過3D打印機來實現，3D打印還被稱作快速成型技術，工件的打印比以往的制造快了許多，很大程度上加快了產品研發周期。3D打印的另一個特點在于其的全自動化。3D打印過程開始后不需人工操作，完全顛覆了工業的制造方式。3D打印使得人們可以在商店購買到這類打印機，工廠也在進行直接銷售。科學家們表示，三維打印機的使用范圍還很有限，材料限制還很大，但在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機打印出更實用，更精確，更復雜的物品。

2.2 3D打印的優劣勢

3D打印具有制造范圍廣、制造速度快、精確的實體復制、材料的多樣性、零交付時間、材料損耗少等眾多優點，但是在具有傳統制造無可比擬的優點的同時，也尚存在一些缺點。比如材料的限制、成型件的精度和表面粗糙度等性能差且成型件的尺寸受限制、成本偏高、尚不可規模化生產等。

3D打印仍存在一些缺陷，但可以相信隨著技術的進步，3D打印可以克服缺點，更好地造福人類。

3 3D打印的材料、設備和關鍵技術

3.1 3D打印的材料

理論上，任何材料都可用于3D打印的使用。但受3D打印工藝水平的制約，導致3D打印的可用材料的稀少。3D打印材料現在要分為光敏樹脂，金屬材料與陶瓷材料三大類。

3.1.1 光敏樹脂材料

光敏樹脂，即樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光（紫外光）引發劑。加入有光引發劑的原因在于，其在250～300nm的紫外線的照射下，可以立即發生聚合反應，完成固化，以實現層與層間的粘合。光敏樹脂一般以液態形式存在，可用于制造高強度、耐高溫、防水的高級材料，常見的光敏樹脂有Somos Next材料、樹脂Somos11122材料、Somos19120材料和環氧樹脂。

3.1.2 金屬材料

自從3D打印技術開始發展以來，金屬材料的3D打印使用就被各國重視，發展迅速。國防，輕工業，重工業等領域，3D打印技術就被寄予厚望，尤其是金屬物件的制造。3D打印使用的金屬材料一般要求純凈度高，粒徑分布窄，球形度好。目前，主要的金屬材料有鈦合金，不銹鋼和鋁合金材料等。endprint

3.1.3 陶瓷材料

陶瓷材料也是3D打印的主要建材。其具有很多的優點，如高強度，耐高溫，化學穩定性好等，但其也具有脆，不易成型等缺點。因為陶瓷材料所具有的缺陷，3D打印的成品往往會有較多的裂縫。目前，3D打印工藝的不成熟導致其尚不能投入商業化。

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。陶瓷粉末和粘結劑粉末的比例配制是陶瓷打印中重要的步驟之一。粘結劑份量越多，燒結比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度，粘結劑份量少，則不易燒結成形，比例的調配也成了目前的技術難點之一。

3.2 3D打印的設備

3D打印機（3D Prints）是一位名為恩里科·迪尼發明家發明的一種立體打印機。其主要有3個組成部分，分別是電子部分、軟件和機械部分。電子部分主要是指系統板、主板、電機驅動板、溫度控制板，加熱管、熱敏電阻、熱床等。電子部分負責控制系統的運行。軟件部分為固件、上位機程序、燒錄軟件等，控制整體設備的運行與打印過程的控制。機械部分即是3D打印的工作場所，主要組成部件為電機、支架、同步輪、同步帶等。3D打印的方式根據坐標軸的建立有所不同，主要分為XoY坐標軸與極坐標系，其功能也不盡相同。

3.3 3D打印的核心技術

3D打印的核心技術主要有FDM、SLA、SLS、3DP等幾種技術，應用最為廣泛的便是3DP和Fdm工藝。

3.3.1 3DP工藝

3DP工藝采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末。材料粉末通過噴頭用粘接劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結完畢后，成型缸下降一個距離（0.013～0.1mm，相當于一個層厚），供粉缸上升一個高度，按計算機數據鋪出粉末，鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一個建造截面的成形數據有選擇地噴射粘結劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此循環送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射粘結劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，而且成形結束后，比較容易去除，最后取出成品，加以處理、打磨。

3.3.2 Fdm工藝

即熔融沉積成型，快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型方法。熔融沉積成型的原理如下：加熱噴頭在計算機的控制下，根據產品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態，然后被擠壓出來，涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進行下一層的熔覆，好像一層層“畫出”截面輪廓，如此循環，最終形成三維產品零件。

4 3D打印的應用領域

3D打印由于其為制造工藝，只要有行業需要模型與原型，就可以應用。所以基本上可以在任意領域內應用。3D打印需求較大的行業主要有政府、航天和國防、醫療設備、高科技等行業，尤其是航天航空業。

（1）3D打印可以打印出復雜的零件，而且有較高的精度，這使得航天航空領域所需的一些精細，復雜的零件可以十分快速的制造。并且3D打印的快速制造的特點可以加快各種機械的研發周期。

（2）3D打印可以打印出模型。借助3D打印的模型，不同領域的人可以對產品實現測試，評估，不僅有利于產品設計的暫時，也可避免不合格設計的大規模制造，以提高產品研發周期。

除了航空航天業，3D打印可應用于醫學與醫療工程。通過醫學CT數據的三維重建技術，利用3D打印技術制造器官、骨骼等實體模型，可指導手術方案設計，也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。3D打印不僅可以提供模型供醫學生學習與研究，還可以提供更加豐富的治療方案。

5 3D打印技術的未來發展

3D打印還處于初步發展階段，其打印的設備尚屬于小型，但已向大型化發展。隨著3D打印技術的發展，材料的種類將會越來越多，并且成為3D打印一大特點。3D打印在太空的作用也會越來越大，更好的保障任務的完成與宇航員的安全。隨著科學技術的進步，3D打印發展也邁入發展的快速期。3D打印越來越朝著設備向大型化，材料向多元化發展，從地面到太空，走入千家萬戶。

參考文獻

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