3D打印技術及設備發展現狀

趙延國，柳傳鑫，許淙博，李文秋

(東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著機床技術的進步，傳統的工件加工，在進行復雜結構(比如：空心曲面腔)加工時，難以一次成型。但是，3D打印技術的面世，其區別于傳統加工的減材制造，采用增材堆積技術，這一加工技術是基于現有3D建模技術，通過算法對模型進行分層切片，得出單層數字輪廓坐標及高度Z軸坐標，然后驅動打印部件逐層疊加，最終多層“薄片”疊加形成實體。雖然，現階段3D打印技術的精度和加工速度，受到分層數量及單層精度的影響還不成熟，但是隨著應用領域的廣泛，3D打印技術發展迅速，筆者針對3D打印技術及設備發展情況及趨勢進行簡要介紹。

1 3D打印技術發展歷程

3D打印技術雖然近年來日趨成熟，逐步得到認可，作為一種先進制造技術在部分領域被應用，尤其是計算機技術的發展極大的促進了這一技術的發展。

20世紀90年代初期，美國學者查克赫爾提出了光固化3D成型技術[1]，也稱為立體光刻技術，三年后，第一臺商業領域的同類3D打印機面世，同一年，其成立了3D systems公司。90年代末期，該公司其第一臺產品SLA-250開始面向社會。同一時期，斯科特克魯姆普提出了熔融沉積技術(FDM)，之后Stratasys公司成立。

20世紀90年代以后，3D打印技術快速發展，激光燒結技術(SLS)誕生，這其中麻省理工學院的學者在相關領域研究最為突出[2]。1996年，“3D打印機”的名稱第一次被應用在產品上。

2000年以后，隨著計算機技術的高速發展，數據處理量提升明顯，3D打印在趨于穩定的同時得到新的發展。2005年，第一臺彩色打印機產品由ZCorp公司研制成功。2008年，第一臺開源3D打印機發布，2010年，3D打印機完成了首臺汽車外部組件成型[3]，證實了3D打印的精度逐步達到工業化加工要求，3D打印逐步呈現“服務化”，之后，3D打印飛機、賽車、手槍等產品相繼生產出來。

隨著技術的日趨成熟，3D的打印的發展方向也日趨凸顯，2012年，奧地利學者研制了高精度3D打印機，打印成功0.3mm賽車模型，3D打印設備的精度得到飛躍。同一年，蘇格蘭學者完成了第一例人造肝臟組織的3D打印[4]。2019年,3D打印骨組織、心臟等人體組織器官面世[5]。3D打印技術利用其高度定制化、低成本的特點是傳統制造所不具備的，利用這一特色，3D打印技術在各個領域被應用和研究，也衍生出了多種3D打印方法。

2 3D打印技術及設備研究現狀

2.1 3D打印技術特點

隨著計算機技術的進步，也提出了多種基于不同成型原理和成型材料的打印方式，但本質來講，3D打印技術始終是基于數字分層制造的原理。根據3D 打印所用材料的狀態及成形方法,3D打印技術可分為熔融沉積成形 (FDM)、立體光固化成形(SLA)、數字光處理成型(DLP)、分層實體制造(LOM)、電子束選區熔化 (EBM)、激光選區熔化(SLM)、直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束熔絲沉積成形(EBF)、石膏3D打印 (PP)等多種方法[6-8]其特點如表1所述。

表1 3D打印方法及優缺點

2.2 3D打印設備研究現狀

基于不同的成型原理的3D打印技術也衍生出了不同3D打印設備，雖然，3D打印設備隨著技術的進步，對于材料的適應性有所提升，但是3D打印設備的制造精度依舊無法達到和傳統加工方式同一水平，所以，設備方面的研究也是3D打印技術的應用和研究的關鍵，筆者整理了近一兩年的額3D打印設備方面的研究現狀，其研究主要圍繞提升精度、力學性能等方面，進行如下闡述。

算法方面的研究，3D打印的關鍵點通過算法處理得到模型的加工坐標，直接決定了加工精度和加工路徑，間接影響了設備的壽命和精度。針對算法的研究逐步提升，北京工業大學王卓[9]在文中提出了一種模型的基于三角面片的切片算法和復合軌跡掃描算法，前者通過單次求解，提高交效率，并優化準確性，后者減少了送料電機的通斷電次數，能有效提高設備壽命和效率。大連理工大學張文懷[10]提出了一種路徑規劃算法，通過根據3D打印機控制參數對路徑規劃進行優化和調整，提高3D打印的成品質量和成品率。河北工程大學魏效玲[11]等在文中提出了一種通過Z軸方向特征曲線優化模型外輪廓曲線，避免了STL文件的信息缺失，提高打印精度。四川大學韓興國[12]等在文中提出了一種蟻群算法優化模型外形輪廓，提升打印精度和表面質量，同時提升效率。伊朗Urmia大學Mohammad Shirmohammadi[13]提出了一種基于神經網絡的混合算法，通過提取作業參數，進行作業參數優化可提高打印零件表面質量。韓國釜山大學的Giao N. Pham[14]等人提出了一種插值四面體算法對3D模型進行優化加密，從而優化模型邊緣，提高打印實體質量。烏克蘭新萊昂州立大學學者I. Litvinchev[15]等人提出一種針對不規則三角形最小長提環繞算法，可應用在3D打印支撐材料設計，可有效控制節約支撐材料，控制制造成本。通過上述闡述不難看出，通過關鍵算法的提升，對于同等條件下的3D打印機精度和制件表面、效率等方面質量提高顯著，但是這類研究在實際應用檢驗較少，對于多模型適配還有待進一步研究和改善。

關鍵零部件的優化及改進，3D打印機整體包括：平臺系統、控制系統、作業系統等多個部件組成，關鍵零部件其直接影響3D打印機作業穩定和精度。國內外學者，多年來進行了大量硬件方面的優化和研究。蘭州理工大學鄧文強[16]等以熔融沉積型打印機的噴嘴為研究對象，采用熵值法和灰色關聯法結合試驗對噴嘴結構進行優化，大幅度講了出料速度和溫度誤差，提高了打印尺寸精度。陜西理工大學任禮[17]等設計了一種可針對不同物料快速更換螺桿和料筒的新結構，并進行了基于Fluent流體分析，對噴頭進行了結構優化，提高了打印機的運行的穩定性和安全性。華北理工大學張雪靜[18]針對陶瓷3D打印機的模態進行了分析，確定打印機的作業震動對打印機噴頭的流動影響較小，排出了打印精度的干擾因素。新疆大學帕提古麗·艾合麥提[19]針對噴頭的加熱組件進行仿真分析及優化，確定了最后結構，并試驗驗證與仿真結果一致，保證了配合間隙的合理性。廣州大學的祁肖龍[20]針對激光熔融類3D打印機提的關鍵結構進行了拓撲結構優化，就提出了多種透鏡保護裝置，并進行了分析和優化選擇。隨著大量研究的應用，3D打印機的技術進展明顯，汽車行業、航空航天、生物醫療等大量傳統標準制造難以實現或成本過大的領域發展尤為迅速，隨著3D打印的應用也將在更多的領域。

3 3D打印技術發展趨勢

3D打印技術代表了一種不同于傳統加工技術的加工方式，雖然國內外學者在近數十年進行了大量的研究和應用，但是在工業生產中，不難發現，使用遠不如研究所進行的狀況，這主要受到材料、設備、制件性能等多方面原因的限制，但是也指明了設備發展方向。

3.1 應用領域多樣化

3D打印技術隨著發展已經不局限于加工領域，近十年來，越來越多的領域引入3D打印技術研究和應用，2017～2020年，我國的3D打印規模增長速度高于全球增長的平均速度，預計2022年將達到360億元[21]的規模，這將極大的促進3D打印技術的發展。筆者發現發展較為迅速的主要集中在以下幾個領域：

(1) 汽車制造領域，汽車的研發周期一般在3年以上，顯然這一周其，對于企業的市場競爭是不利的，3D打印技術則可以有效縮短這一周期，其中主要集中：模具類零件、多材料復合零件、輕量化零件以及小批量零件，這充分發揮了3D打印的技術特色和優勢，寶馬、布加迪汽車、大眾等車企將部分零件通過3D打印進行制造[22]，包括：火花塞支座、汽車內飾、制動鉗[23]等多種不同類別的零件；這對于汽車工業的發展起到極大的推動作用。

(2) 生物醫學領域， 3D打印可以高度定制，而生物組織不同的生物個體是不一樣的，3D打印能很好的滿足這一需求。于是，在骨組織、心臟等器官領域得到了廣泛認可[24]，目前主要集中一個方面的研究，其一為生物材料，這目前的3D打印器官或組組織缺乏可與人體組織相融合的活性因子，于是導致其能相容，而生物材料存在機械性能差的問題，所以為了滿足這一需求，開發新的3D打印生物材料[25]是是一個難點；其二為微觀結構打印，生物3D打印不僅僅需要提供宏觀的器官構建，還需要組建模擬單細胞生長，涉及到微觀結構，提高3D打印分辨率和組織構造研究是主要的研究方向；其三為復合生物材料打印，生物打印倒進已經可以完成心臟、肝臟等生物組織的原型打印，但是，這些組織或氣管器官還應具備一定的創傷部位修復能力，同時避免排斥反應，需要植入同等位置細胞實現這一功能，需要多種生物材料復合打印營造其生長環境。3D打印技術在生物醫學的應用，目前還處于初級階段，在應用領域和技術上具備廣闊的研究前景。

(3) 建筑領域，3D打印技術在建筑領域的應用不足10年，2013世界上的哥3D打印建筑在美國誕生，2014年我國的第一座3D打印建筑在上海誕生[26]，通過近幾年的發展，3D打印建筑雖然得到了一定認可，但是在材料結構性能，建造質量檢測標準兩個方面存在一定的問題，未來，建筑的3D打印技術可以應用在非線性曲面、室內裝飾、高強度建筑[27]幾個方面具備廣闊的應用環境。

除了上述領域，食品、航空航天、精密制造[28]等多個領域都在逐步探索，不難看出，雖然3D打印技術無論是設備還是材質都還存在的很多問題，但是，隨著大量的研究開展，必將具備廣闊的應用前景。

3.2 打印設備及材料專用化

如3.1所述，3D打印技術在各個領域開展大量研究的同時也暴露了設備和材料的不適應問題[29]，雖然經過多年發展，在材質上基本可分為塑料和金屬兩類，打印機也針對這兩類材質進行開發了多種不同成型方式的3D打印機，但是，近年來在建筑和生物醫療領域[30]的應用，這兩方面的問題就成為限制其發展的瓶頸，這也說明作為一種革命性先進制造技術，通用類3D打印機顯然在很多領域難以達到使用要求，所以在設備和材質應更加專用化，提高3D打印制件的性能，滿足不同應用場景和領域的需求。

3.3 3D打印技術標準化

3D打印技術應用領域的廣闊，打印制件大可以是建筑，小可以試微觀人體組織，但是作為制造技術，以金屬3D打印為例[6]，本質是激光焊接，存在著裂紋、氣孔等缺陷，顯然這類缺陷存在是必然且隨機的，保證制件的合格性，需要進行檢測，但是目前無論是企標還是國標是缺乏相關標準，未來為了保證更高的規范性，必然需要統一的標準，對設備、材料、質量、安全等多個方面進行規范，這樣才能保證3D打印技術健康發展。

4 結 語

3D打印技術作為未來的核心技術革命之一，在全世界社會大生產領域內勢必將引發深刻的革命性意義，其可以實現傳統工藝難以實現的結構加工更加簡單，但是，必可避免其也存在局限，在筆者看來，當前，無論是設備還是材料都還存在大量需要攻關的問題，這些問題需要長期的技術積累和研究。“中國制造”在世界占據一席之地，但是高端制造我們與國外還存在差距，故而我國應高瞻遠矚，積極有效地應對好3D打印技術并使之為實中華民族的偉大復興而服務。