3D打印在智能化時代中的研究進展

雷 佩 ，糜 強

（西安思源學院，陜西 西安 710038）

0 引言

在制造業領域中，制造有四種方法。第一種方法是減法制造，即從原材料開始加工為想要的零件，比如要做一個紙杯蛋糕，可以先買一個大蛋糕，再把所有多余的東西都切掉，做成紙杯蛋糕的形狀。手工木雕、數控加工或激光切割等都屬于減法制造。第二種方法是成形，對一塊材料施加力使其尺寸發生變化，然后對其形狀和尺寸進行改變。第三種方法是鑄造，將金屬熔化后澆入鑄型中以形成預定的物件。第四種方法是增材制造（AM）。

3D打印是一個增材制造過程，AM和3D打印的范疇包含了從數字文件創建三維原型和結構的一個全過程。計算機輔助設計的實體建模組件是3D打印技術的基礎。這些實體建模數據被用于創建極薄的橫截面區域層及制造復雜的形狀和表面，這些設計用傳統方法很難實現。

3D打印零件是逐層增材開發的，是一種以數字模型文件為基礎，運用金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。3D設計是在可連接到3D打印機的計算機軟件上創建的，該軟件可生成一種特殊類型的文件發送到打印機，3D打印機讀取該文件，并通過將一層連接到另一層上的方式來創建產品。3D打印機一次讀取單個二維層的部件，而不是一整個單個部件。3D打印機創建3D對象的基本過程如圖1所示。

圖1 3D打印機創建3D對象的基本過程

其中STL文件格式（stereolithography，光固化立體造型術的縮寫）是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一個接口協議，是一種為快速原型制造技術服務的三維圖形文件格式。3D打印在制造復雜部件時具有更少的材料浪費、更少的后處理和非常低的成本等優點，使得3D打印成為更具未來的技術。3D打印在重復使用塑料、回收和減少排放等方面也有很大的潛力。該技術還能夠制作復雜幾何形狀的設計，在重量輕、強度重量比率好的產品中也有很好的應用。因此，3D打印應用在可持續設計的生產中有廣闊前景。

1 3D打印工藝的類型

為了滿足高分辨率復雜模型的打印需求，AM技術應運而生。快速成型技術在AM技術的發展中發揮了重要作用。AM技術有三種主要類型：燒結——在不液化的情況下提高材料的溫度以組成復雜的高分辨率原型；熔化——電子束用于熔化粉末；立體光刻——一種被稱為光聚合的方法，使用相關的紫外線激光。根據ASTM（美國測試與材料協會），AM被分為七個過程，包括增值光聚合、材料噴射、粘結劑噴射、材料擠壓、粉末床融合、薄板層壓和直接能量沉積。

1.1 立體光刻機（SL）

3D打印時代開始于20世紀20年代末，SL是市場上最早的3D打印工藝。第一臺3D打印機用于制造3D模型、3D零件和圖案。在20世紀70年代就有許多關于3D打印的研究，1984年由查爾斯·赫爾獲得3D打印的專利[2]。

立體光刻機的工作流程，首先在系統上生成一個CAD文件，并將該文件轉換為STL文件類型。此STL文件類型主要為3D打印機提供所需的幾何數據。光刻機的四個組成部分是紫外（UV）可固化光聚合物液體、穿孔工作臺、激光源和控制過程的計算機。在讀取STL文件類型后，穿孔臺浸沒在液體罐中。當工作臺向下移動時，液體聚合物通過穿孔臺流到工作臺上，當液體接觸到工作臺的那一刻，紫外線激光就會擊中光液體聚合物的上表面，使其立即硬化。然后，工作臺再次向下移動，創建一層一層，每個連續的層從基礎層開始融合。在最后一層完成后，打印好的部分被浸入另一種樹脂中，這時3D打印的模型就從液體聚合物中分離出來了。在這個過程之后，所有層之間的粘合在特定的樹脂中變得更為牢固，之后，這個3D打印模型可以在紫外線固化烤箱中烘烤。在烤箱內，在預定的溫度下，所有的層都變硬，強度增加，并獲得所需的表面光潔度。這就是立體光刻的全過程。立體光刻是3D打印的一種方法。在此過程中，液體光聚合物在立體光刻機（SL）的作用下制作成為3D物體。

1.2 熔融沉積成型（FDM）

FDM是一種熱塑性聚合物，大部分為絲狀線材。該熱塑性長絲被噴嘴加熱到熔點，然后一層一層地推出，形成一個3D物體[3]。FDM技術是由Scott Crump在20世紀90年代早期由美國Stratasys公司引進的。用于FDM的3D打印機包含一個與自由度相關的支撐底座，并且可以在垂直方向上上下移動。在底板上，有一個連接絲線的擠出機，負責將絲線加熱到熔點，然后在噴嘴的幫助下一層一層地擠出，形成所需的物體。擠出機可以在三個方向（X、Y和Z）移動，相鄰層可以得到鞏固彼此的作用，沉積是由擠出機完成的。根據產品所需要的外表，最終可將產品浸在樹脂中，類似于SL方法。

1.3 粉末床熔合成型（PBF）

PBF工藝使用一層薄薄的粉末構建板，用激光或電子束將粉末熔合成幾何構建[4]。這個過程允許激光選擇性地一層一層地聚合粉末，從而得到三維切片。PBF工藝在前一層的連接層上鋪上粉末，為后一層的工藝做好準備，產生的不是連續的輸出（盡管如此，每一層都與相鄰層連接）。料斗輸送粉末狀的金屬，然后通過滾筒或刷子均勻地散布在粉末床上。在生產過程中的，粉末的最佳厚度和所要制作的模型有關。選擇性激光燒結（SLS）、電子束熔煉（EBM）、選擇性激光熔煉（SLM）、直接金屬激光熔煉（DMLM）和直接金屬激光燒結（DMLS）都是粉末床熔合（PBF）的統稱。

1.4 選擇性激光燒結成型（SLS）

在20世紀80年代中期，德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和Joe Beaman博士發明了這種方法[5]。選擇性激光燒結（SLS）是一種快速成型方法，通過將連續的粉末材料層粘合在一起，以形成所需的模型。計算出表面和末端融合的數據后，CO2/N2激光器將粉末層凝固。在這種方法中，通常使用化合物粉末。粉末可以是熱塑性、陶瓷、玻璃、金屬等。如果使用的粉末是由金屬制成的，那么這種方法就被稱為直接金屬激光燒結（DMLS）。SLS打印機由兩個腔室組成，動力從第一個腔室傳達到第二個腔室，在第二腔室進行制造。這種粉末在低于熔點的溫度下加熱，矯直機或滾輪在粉末形成層的頂部，這種制造完成后，還需要進行精加工。

1.5 粘結劑噴射成型（BJ）

粘合劑噴射是噴墨技術改進版。它使用噴墨技術而不是激光技術來生成這個構建[6]。它使用噴墨2D打印機技術來形成3D構建。在這個過程中，兩個軸上移動的打印頭精確噴射液體粘合劑。這個過程也跟任何其他3D打印過程一樣，通過創建3D繪圖，然后將其導入打印機軟件中。由于印刷過程中需要不斷地供應粉末，因此分配器將需要使用的粉末放入其中來確保供應。在應用不同厚度的粉末片后，打印頭根據需求將粘合劑附著在一起，再使用熒光燈或電燈將含有粘合劑的溶劑進行干燥。之后，粉末床降級，并應用新的粉末。在循環完成后，將粘合劑放入爐中。爐中的溫度和所需時間等因素取決于所使用的粘結劑的性質。金屬和陶瓷部件在使用前必須經過燒結、滲濾、熱處理等預處理。大多數金屬和塑料材料不需要任何后處理，只要從打印系統中出來就可以使用了。

1.6 直接能量沉積技術（DED）

與其他3D打印工藝不同，這種方法主要用于維修和維護。DED技術由激光在沉積區域產生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區，熔化后逐層沉積而形成造構[7]。DED工藝設備由能量源集成的沉積頭和兩個給粉噴嘴組成。在這個過程中，既可以給金屬粉末，也可以給細線。要制造的特定部件保持在一個平臺上，沉積頭的方向（沉積粉末束和激光束）是一個4軸或5軸機器。DED工藝使用一個集中的熱供應（電子束或激光），然后材料被一層一層地固定并通過光照進行凝固，在產品上進行修復和增加新的材料對象。DED屬于增材制造的一種，常用于大尺寸的金屬制作。

1.7 層壓物體制造（LOM）

層壓物體制造快速成型技術是一種薄膜材料疊加過程，簡稱LOM[8]（分層實體制造）。由Helisys的Michael Feygin于1986年在美國成功開發。

這是一種快速制作原型的過程，先將紙、塑料或金屬層壓板環氧化在一起，再使用激光切割機根據三維CAD模型各部分的輪廓線切割成項目或模型所需的形式。在計算機的控制下，發出控制激光切割系統的指令，使切割頭在X和Y方向上移動。進料機將熱熔涂覆的箔（例如涂布紙、涂覆的陶瓷箔、金屬箔、塑料箔）送到工作臺的頂部。激光切割系統根據由計算機提供的橫截面輪廓，用CO2激光束沿著輪廓切割桌子上的紙張，并將紙張未選擇的區域切割成小塊。然后，通過熱壓機構將一層紙壓制并粘合在一起。可升降的工作臺支撐正在形成的工件，并且在形成每個層之后，降低紙張厚度以進給粘合和切割新的紙層。最后，形成由許多小廢料塊包圍的三維原型部件，將其取出并去除多余的廢料片就可以獲得三維產品。

2 3D打印工藝中的材料

由于材料科學的迅猛發展，現代3D打印技術的發展已經突破單一原材料的限制，現在的創新材料主要有：熱熔性塑料、光固化材料、金屬、石蠟等[9]，可以同時打印多個復雜性的物體和產品。3D打印中不同材料的優點及缺點如表1所示。

表1 3D打印中不同材料的優點及缺點

3 3D打印的發展展望與應用

1）3D打印技術的發展已經成為當今社會發展的重要組成部分，其應用領域也在不斷擴大。3D打印技術在工業制造領域的應用最為廣泛，傳統的工業制造過程被逐漸取代，3D打印技術可以快速制造出精確的零件，大大提高了制造效率，減少了制造過程中的人工操作，降低了成本[9]。

2）3D打印技術在醫療領域也有著廣泛的應用。3D打印技術可以快速制造出精確的器官模型[10]，可制造出可以在人體生長的心臟薄膜支架及骨組織[11]，可以制作出天然牙齒。此外，3D打印技術還可以制造出各種醫療器械，從而更好地滿足患者的需求。在生物醫學工程方面，使用生物替代品來修復被破壞或受損的組織的研究取得了一定進展。

3）3D打印技術也在其他領域有著廣泛的應用。在能源領域，可以制作設備模塊、嵌入式傳感器以及智能組件制造的智能部件，可以獲得實時系統性能的反饋，并能在運行期間進行現場監測。在建筑領域，3D打印技術可以快速制造出各種建筑結構，從而大大提高建筑效率。在汽車制造領域，3D打印技術可以快速制造出各種汽車零件，大大提高汽車制造效率，還可以修復汽車發動機[12]。3D打印技術的發展已經越來越受到重視，應用領域也在不斷擴大。未來，3D打印技術將在更多領域得到廣泛應用，改變人們的生活方式。