淺析3D 打印的現狀與前景

關彥齊 王芳芳＊

（1、齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161000 2、齊齊哈爾市昂昂溪區工業園區管委會，黑龍江 齊齊哈爾161031）

3D 打印是一種增材制造技術，與傳統減材制造技術的生產原理恰恰相反，3D 打印技術是根據三維模型數據進行離散/切片化，可計算出每種產品的數千個橫截面，確定每層的構造方式，層堆的方式直接制造出各種結構的產品[1]。與減材加工相比3D 打印相關的金屬應用中的廢料減少了40%。此外，95%～98%的廢料可以在3D 打印中回收。本文分別從多種3D 打印技術的發展現狀和關鍵工藝技術進行了介紹，并對3D 打印所面臨的不足、挑戰和未來的可能性進行客觀討論。

1 增材制造技術的現狀

1.1 國際巨頭發展現狀

3D 打印技術近些年發展突飛猛進，經過重組、整合后國際上的領頭羊非美國3D Systems 和Stratasys 公司莫屬，另外，Shapeways 公司、英國的Reprap 等也具備一定實力。3D Systems在2019 年第四季度相繼發布了近10 種材料，最近發布的材料為VisiJet?M2S-HT90，該材料為耐用品和汽車應用而設計，非常適合在高溫環境下工作的零件（如電器、外殼和外殼）的功能性原型制作，且其具有生物相容性也非常適合醫療保健應用。Stratasys 公司2020 年初在FDM 工藝發力，研發出了F370 打印機，其人性化設計大大提升了設備的自動化程度。

1.2 國內發展現狀

國內3D 打印技術起步相對國際較晚，但目前在3D 打印技術的某些領域已經達到了國際的領先，如共享裝備股份有限公司在2015 推出了工藝、材料、軟件、集成及設備全部為國產化的工業級鑄造3D 打印機。在2018 年由華中科技大學等單位承接的“雜零件整體鑄造的型（芯）激光燒結材料制備與控形控性技術”項目榮獲國家科技進步二等獎，使我國增材制造鑄造領域在國際達到先進水平。除此之外如西北工大、北航、華中科大、清華、西交等高校在激光快速成形系統、激光熔融沉積方法、電子束選區熔化等方面也有了巨大的進步。

1.3 增材制造的主要關鍵技術

目前3D 打印的主要工藝有如下幾種[2-3]：

熔融沉積建模（FDM）是將熱塑性聚合物的連續長絲用于3D 打印材料層。長絲在噴嘴處加熱至半液態，然后擠出在平臺上或先前印刷層的頂部。聚合物長絲的熱塑性是該方法的基本特性，它允許長絲在印刷過程中融合在一起，然后在印刷后在室溫下固化。

選擇性激光燒結或熔化（SLS 和SLM）可用于多種聚合物，金屬和合金粉末進行燒結成型或融化凝固成型。燒結時激光功率和掃描速度是影響成型過程的主要參數，該工藝的主要缺點是工藝緩慢，包括當粉末與粘合劑熔合時的高成本和高孔隙率。

立體光刻（SLA）是使用紫外線在樹脂或單體溶液層上引發鏈反應。單體具有紫外線活性，并在活化后立即轉化為聚合物鏈。聚合后，固化樹脂層內部的結構，以固定后續層。打印完成后，將未反應的樹脂除去。SLA 以低至10μm 的精細分辨率打印高質量的零件，但它打印速度相對較慢，并且用于打印的材料范圍非常有限。

直接能量沉積（DED）已用于制造高性能超級合金。這種方法也稱為激光工程網成形（LENS?），激光固體成形（LSF），定向光制造（DLF），直接金屬沉積（DMD）等。用的能源直接聚焦在基板的小部分上，也用于同時熔化原料，然后將熔化的材料沉積并融合到熔化的基材中，并在激光束移動后固化。DED 通常與鈦、鉻鎳鐵合金、不銹鋼、鋁和相關合金一起用于航空航天應用。但是，與SLS 或SLM 相比，它具有較低的精度，較低的表面質量并且可以制造復雜程度較低的零件。因此，DED 通常用于復雜度低的大型組件，也用于修復大型組件。

分層實體制造（LOM）基于對板材或材料卷的逐層切割和層疊。使用機械切割機或激光將連續層精確切割，然后將它們粘合在一起。該方法還可以通過在粘合之前去除多余的材料來促進內部特征的構造。切割后多余的材料留作支撐物，過程完成后可以去除并回收利用。LOM 可用于多種材料，可以減少工裝成本和制造時間，并且是用于大型結構的最佳增材制造方法之一。但是，LOM 的表面質量較差，與SLS 和SLM 方法相比，其尺寸精度較低。

以上是目前3D 打印常見的工藝方法，根據各自的工藝特點在不同的領域有不同的應用，但是這些工藝都是基于離散／堆積的原理，實現零件從無到有的過程。

以上是增材制造技術常用的生產加工方法，根據其工藝原理的不同，它們在不同的領域有各自的作用，但這些加工過程都是基于離散化和層疊的基本原理，實現零件從無到有的增材制造過程。

2 增材制造技術現階段的不足及前景

2.1 增材制造存在的不足

3D 打印在諸多領域中有著廣泛的應用，并且有省材、制造多樣化等諸多優點。但用于3D 打印的材料有限，對材料的利用提出了挑戰，因此需要開發可用于3D 打印的合適材料；隨著3D 打印的普及，只要有立體模型，便可以無限的復制并打印出來，3D 打印的知識產權為亟需解決的問題；3D 打印具有多樣性，現階段已經有打印出的活體組織的器官，是否觸碰道德底線的界限還很模糊；目前工業級的3D 打印機售價高昂，動輒幾百上千萬元，如果要迅速發展，打印機的價格還需下調。

3D 打印技術雖然可以在理論上得到絕對的高精度，但要在實際生產過程中得到較高的成型精度，在技術上需要研究、控制的問題仍然很多，如尺寸精度、形狀精度和表面精度，同時伴隨著翹曲變形、扭曲變形、局部缺陷和橢圓度誤差等。影響快速成型原型精度的因素有很多，主要有前期數據處理誤差、成型加工誤差、后處理誤差三個方面。另外3D 打印技術的制造特點還使其容易產生內部缺陷。因此，成分分布和凝固組織特征及形成機制、構件內部缺陷的形成機理和控制方法、內部缺陷對性能的作用機制及檢測方法也是重要的研究方向。此外，3D 打印技術仍受到設備成本的限制，在我國仍不能被廣泛應用。

2.2 增材制造的前景及發展趨勢

3D 打印技術作為21 世紀一項迅速發展的新技術，其具有的獨有優勢是顯而易見的，克服各種限制，使增材制造技術向快速化、智能化、多種材料集成化、便捷化、大型化的方向發展，并制造出高精度、高質量、低成本的產品。

3D 打印在不久的將來可以把產品設計與產品制造分開。隨著3D 打印技術的發展，消費者將能夠在線購買設計，然后在家中制作產品。部分研發公司可以將零配件的制造承包給第三方，然后由第三方根據電器制造商提供的三維模型制造零件。由于無需保留任何庫存，因此零件成本可以降低。

3D 打印技術在生物醫學市場將大有作為。生物醫學具有高復雜度，研究面臨著復雜性和創新方法的挑戰。3D 打印的柔韌性可以通過工程化新型材料來制造極其復雜的形狀，定制特定于患者的必需品。

航空、航天、船舶、新能源汽車等領域屬于朝陽行業，且零件一般具有復雜的幾何形狀、難于加工、需定制生產、輕量化、強度高等特性，待材料和強度關卡突破后可推動3D 打印在諸多領域的應用。

3 結論

3D 打印技術，不僅提高生產過程中材料的利用率，降低由于工裝投入、制造及返修帶來的加工成本，縮短研制周期，加快生產效率。但是目前對3D 打印過程中成型性和缺陷形成機理的研究認識還不夠深入，導致構件的成型精度、表面粗糙度、力學性能等遠達到理想狀態；另外，在使用材料和構件類型方面需要進一步研究。