3D打印技術的發(fā)展及其應用

馮文卿

摘 要：近年來，3D打印技術日益完善，已從實驗階段逐步進入到實際工程應用，3D打印技術始于快速成型（RP）技術，集成了CAD/CAE、電工電子控制和材料科學等現(xiàn)代科技領域先進研究成果，是先進制造技術的重要組成部分。本文將詳細論述3D打印技術機理以及研究現(xiàn)狀，進而為3D打印未來的發(fā)展指明方向。

關鍵詞：3D打印;熔融沉積成型;光固化;選擇性激光燒結(jié)

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0245-02

0 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，生產(chǎn)完成了從手工業(yè)向機械化工業(yè)的過渡，從而改變了勞動者的生活與工作方式。在今非昔比的信息化、智能化浪潮中[1]，伴隨著人們個性化的需求意見日漸增長，未來龐大的制造工廠也會漸漸被分散的個體取代，實現(xiàn)“社會制造”。社會制造的關鍵是主動、實時地將社會需求和社會制造能力有機地街接起來，從而實現(xiàn)生產(chǎn)和供應之間的相互轉(zhuǎn)換。而3D打印是一種可以快速實現(xiàn)社會需求“數(shù)據(jù)模型”向個性化產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的高新技術[2]，是聯(lián)系起由互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)組成的社會制造的網(wǎng)絡中不可分割的一部分。它通過最質(zhì)樸的方式讓民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，必會促進個性化、經(jīng)濟化的設計理念的發(fā)展，并會改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)和消費模式，形成一個完整的技術鏈條，相輔相成，相互協(xié)同作用，最終達成新的產(chǎn)業(yè)革命。

3D打印又稱為增材制造，是利用離散—堆積原理和三維數(shù)據(jù)進行實體化自由成型制造的新興制造方法。與傳統(tǒng)制造方法不同，3D打印通過數(shù)字分層和物理層積技術，通過堆砌—成型的方法加工零件[3]。由于3D打印技術將三維的零件二維化重復堆疊，因此無需開模、鑄造等復雜的工藝流程即可完成零件的制造，提高了生產(chǎn)的效率和加工精度。

1 3D打印工藝機理

1.1 SLA（光固化/立體光刻）

目前可用于該工藝的材料主要為具有感光性能的液態(tài)樹脂，即光敏樹脂。在固化時需采用激光逐漸照射液態(tài)樹脂，使之逐步固化成型。不同樹脂材料反應原理及引發(fā)劑各不相同。以陽離子體系為例，由于激光具有較大的能量密度，當激光照射時陽離子光引發(fā)劑會快速產(chǎn)生強質(zhì)子酸，這種強質(zhì)子酸的出現(xiàn)會催化樹脂材料使其快速固化聚合。SLA是當前應用最廣泛的一種高精度形成工藝。使用該技術制造的產(chǎn)品優(yōu)點為質(zhì)感好，強度佳，耐高溫，耐潮，故而主要應用于防濕、熱的環(huán)境，如水下及礦井作業(yè)、汽車需要耐高溫的體積較大的零部件上等。缺點為韌性小。打造出小而薄的零件易斷裂。

SLA技術在發(fā)展愈發(fā)成熟的同時還是帶來了一些問題。現(xiàn)有的3D打印機設備整體體積較大，占地面積大，為運輸、包裝帶來了極大的困難。同時，解決因內(nèi)部空間利用率低而引發(fā)的制造材料的大量浪費也是一個極大的難題。針對目前存在的問題，可以加以如此的改造：如將掃描裝置改裝在樹脂液槽上方，大幅度減小了設備主體的占地尺寸，也便于包裝和運輸，相較于傳統(tǒng)工藝節(jié)省了大量時間。

1.2 LOM（薄材疊層制作）

薄材疊層制作受材料、粘結(jié)劑和涂布工藝三者共同影響，其材料可以選擇厚度較小的薄片狀材料，如目前使用較多的紙材、鋁箔等金屬薄片或者塑料薄膜等。該技術采用激光切割原材料，材料之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱下熔化并使材料之間實現(xiàn)粘接，進而逐層疊加粘合制造成品。該工藝最大的優(yōu)點是原材料成本相對其他工藝較為低廉，且容易獲取，現(xiàn)取現(xiàn)用，且環(huán)保無毒，不會對人體造成傷害。缺點是操作性難度較高且局限性大。只能用于低熔點的材料選取范圍。一般應用于生產(chǎn)摩托車、汽車的小型發(fā)動機零件原型件。

1.3 SLS（選擇性激光燒結(jié)）

用于SLS工藝的材料是各類粉末（如尼龍粉、玻璃粉、銅粉等）。SLS工藝適用性強，基本可加工目前制造用所有常見的材料。正因為此而在業(yè)界獲得廣泛對其應用前景的關注。它采用鋪粉棍將第一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面[4]，并給予足夠能量加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的溫度，接著利用激光逐點燒結(jié)，使粉末材料或包覆于粉末材料表面的粘接劑熔融并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘合;冷卻后加鋪第二層、第三層重復以上操作直至得到成品。該技術最大的優(yōu)點是相比LOM局限性明顯縮小，既可以選擇低熔點材料也可以選擇高熔點材料，在一定程度上拓寬了生產(chǎn)面。缺點則是在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)粉末飛濺的現(xiàn)象，影響成品尺寸精度，且容易灼傷人體。

1.4 FDM（熔融沉積成型）

FDM技術促進了當前制造業(yè)的快速發(fā)展，目前該技術已廣泛應用于機械、汽車、航空航天及建筑領域，并取得了卓越的成效。例如：FDM可以做到在不使用傳統(tǒng)金屬刀具切割的情況下，直接將所設計的三維數(shù)據(jù)快速而高效地轉(zhuǎn)化為具有優(yōu)良性能的實體模型。FDM技術的原材料是塑料或樹脂，與減材制造相比，可實現(xiàn)高效化生產(chǎn)，最大程度降低了生產(chǎn)成本，并最大限度地節(jié)約了能源。

在生物醫(yī)學領域方面，人們利用FDM技術制造出的人體組織器官模型，可以在臨床醫(yī)學中對重要危險系數(shù)高的手術進行模擬，從而降低患者的手術風險。在食品制造方面，人們研發(fā)出了食物3D打印機，將熔化的巧克力或者糖漿放進噴頭并進行建模，利用FDM技術對原材料加工成型，可以獲得造型獨特、口感均衡的食物。

目前可用于該工藝的材料主要為便于熔融的低熔點材料[6]，相對于LOM來說成本較為低廉，且材料狀態(tài)一般為絲狀，又較SLS不容易飛粉。以其獨特的優(yōu)點在國內(nèi)外被廣泛使用。該工藝的優(yōu)點在于取材種類繁多，如ABS、PC等常見塑料，故而具有強韌性及耐熱性。然而也具有一定的劣勢[5]：如雖然在軟件上成功建模，但在實際Z軸方向上具有各向異性，故而在垂直方向力學性能較差。且復雜產(chǎn)品表面會出現(xiàn)臺階紋路，影響產(chǎn)品美觀與精度。

1.5 SLM（選擇性激光熔化）

SLM技術可以稱為建立在SLS的基礎之上的改良。鐵基合金在工程領域應用最廣，因此鐵基合金的SLM工藝也是目前較為成熟。其成型原理與SLS相似，不同點則在于，SLM需要添加支撐結(jié)構(gòu)。其主要作用為：支撐下層粉末，防止激光掃描時形成塌陷，影響最終成品的精確度與美觀;防止成品因熱脹冷縮而導致零件邊緣發(fā)生翹起。因此，SLM技術在很大程度上優(yōu)于SLS技術。其主要優(yōu)點有[6]：均采用金屬材料，極大程度地保證產(chǎn)品的高硬度、耐磨，延長了產(chǎn)品的使用壽命。然而，弊端則是金屬材料價格偏貴，更由于其自身的性質(zhì)導致其生產(chǎn)速率偏低，自然效率相比較其他技術而言更為偏低，目前僅限于模型或工藝品的打印制作。

2 3D打印的應用

近幾年，隨著參數(shù)化設計在各個領域的普遍應用，3D打印技術與參數(shù)化設計結(jié)合得愈加緊密的同時也得到了飛速發(fā)展，目前在鑄造領域、生物工程領域、藝術設計領域有著廣泛的應用。

熔模鑄造是3D打印在金屬鑄造方面的主要的應用[7]，一般使用熔融沉積造型（FDM）工藝來進行加工制造，由于該技術可以精確并高質(zhì)量的完成加工任務，因此在小批量制造復雜金屬構(gòu)件中起到了重要作用。

在生物工程領域[8]，3D打印技術主要負責聚合物醫(yī)療材料及細胞生物的制造。前者依靠于FDM及SLS技術，基于“增材制造”原理，添加生長因子、生物材料、細胞等為主要原材料，用于構(gòu)建人體組織和器官。對比與其原理相似的生物技術--基因工程中的轉(zhuǎn)基因克隆技術，該技術的優(yōu)點為明顯縮短了從開始制造到獲得完整器官獲細胞的時間，是當下3D打印技術的最高水平代表之一。

在藝術設計領域[9]，3D打印技術拓寬了藝術設計師們的設計思路并極大程度的降低了加工難度。不需要經(jīng)過傳統(tǒng)的制造流程和工藝，設計師通過在軟件上操作鼠標建模，隨后導出至3D打印機進行打印，只需一個3D One軟件和FDM技術，就可以將驚為天人的藝術作品快速加工完成。3D打印技術的出現(xiàn)可以實現(xiàn)私人訂制，充分滿足客戶的需求，同時簡化了從設計到加工的復雜流程和工藝，充分實現(xiàn)了高水平的藝術創(chuàng)作和高水平的加工能力的完美匹配。

3 結(jié)語

目前3D打印技術成為制造領域炙手可熱的課題，并在實際工程中慢慢顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。3D打印技術作為一種新穎的制造技術，在高速發(fā)展的同時，應著重突破原材料的限制和三維制造方面的技術難關，同時降低制造成本，讓科學技術真正造福于民。未來的3D打印技術將向著更智能化的方向發(fā)展，與傳統(tǒng)制造手工業(yè)結(jié)合，在大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，3D打印技術也許會引領整個制造業(yè)朝著智能化、高效化制造方向發(fā)展。

參考文獻

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