3D打印是如何工作的？

還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個片段以非常形象的手法展現(xiàn)了一種對三維獸首進行掃描并復(fù)制重現(xiàn)的未來技術(shù)概念——3D打印。而在現(xiàn)實世界，科技前進的步伐是不可阻擋的。

近期，美國通用電氣正在將通過3D打印制作的部件集成到噴氣發(fā)動機中，某太空公司也宣稱將利用這項技術(shù)來制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進行全3D打印火箭的發(fā)射。我國也在去年成功完成首次太空3D打印，對空間站在軌擴建和長期運行具有重要意義。3D打印技術(shù)正展現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿εc活力。

3D打印技術(shù)又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將可粘合材料逐層疊加以構(gòu)建現(xiàn)實三維物體的技術(shù)。作為“決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術(shù)”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術(shù)革命浪潮。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點，在生產(chǎn)上可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大提高制造效率，實現(xiàn)“設(shè)計引導(dǎo)制造”的創(chuàng)新理念。

圖2：通用3D打印流程 圖源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2 發(fā)展歷程

縱觀3D打印技術(shù)的發(fā)展史，最早可追溯至1984年由美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明的立體光固化成型技術(shù)（Stereolithography appearance，SLA）。隨后又逐步發(fā)展出選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）、微噴射粘結(jié)成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技術(shù)。

進入21世紀以來，3D打印技術(shù)有了全新的突破，全球正式進入3D打印的高速發(fā)展階段，并在大類技術(shù)的細分下逐步涌現(xiàn)出了各式各樣的革新式小類工藝，以滿足特定行業(yè)需求，與傳統(tǒng)制造業(yè)形成有效互補。

3D打印方法分類

根據(jù)國際標準化組織轄下增材制造技術(shù)委員會發(fā)布的ISO/ASTM 52900: 2015標準，3D打印工藝方案主要分為七大類。

一、材料擠出型

Material extrusion

通過噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料。如熔融沉積成型（Fused deposition modelling, FDM），是一種最為直觀也最常見的打印方式。在打印時，設(shè)備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個實體。打印材料主要為聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。

優(yōu)點：設(shè)備和耗材的價格低廉、材料范圍廣、打印產(chǎn)品強度高。

缺點：打印精度較低、打印樣件表面粗糙度大。

二、光聚合成型

Vat photopolymerization

使用特定波長的光對液態(tài)聚合物進行選擇性光固化。這類技術(shù)使用的材料是光敏樹脂，在光照下樹脂發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)打印過程。根據(jù)光源類型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和數(shù)字光處理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印過程均不同。其中，SLA使用激光逐點掃描液態(tài)樹脂面，點-線-面順序固化以完成一個層面的成型，再配合成型平臺的移動層層疊加構(gòu)成三維實體。DLP則采用整面曝光進行一個層面的成型，光源多為LED紫外光源，每層曝光圖形由數(shù)字動態(tài)掩模芯片等空間光調(diào)制器生成。

優(yōu)點：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。

缺點：材料范圍受限、材料性能較弱。

三、定向能量沉積型

Directed energy deposition

利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于構(gòu)建或修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。其過程為，激光束等能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，噴嘴將絲狀或粉末狀材料（如鈦和鈷鉻合金）送入高溫區(qū)被加熱至熔點，熔化后逐層沉積。噴嘴或工作臺安裝在高度可移動的臂上，從而能夠高度靈活地移動。

優(yōu)點：無需支撐、加工靈活性高、可以實現(xiàn)構(gòu)件的高效率制備和修復(fù)。

缺點：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修復(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

四、材料噴射型

Material jetting

2D噴墨打印機的三維進化版。材料噴射可分為連續(xù)材料噴射（Continuous material jetting, CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其基本原理是使用帶電偏轉(zhuǎn)板和電磁場，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺上，并利用紫外光源進行固化成型。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數(shù)百個微小液滴，而SLA則是在整桶樹脂中，通過激光選擇性地逐點固化。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。

優(yōu)點：可實現(xiàn)高度精準的全彩快速打印，增加原型和最終部件美學(xué)質(zhì)量。

缺點：材料范圍有限、價格昂貴、需要后處理以去除多余的材料。

五、粘合劑噴射成型

Binder Jetting

也稱微噴射粘結(jié)成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP），是通過粘合劑噴射來實現(xiàn)粉末成型。主要過程是將陶瓷或聚合物等粉末狀材料裝入容器中，使用噴墨打印頭將粘合劑噴射至粉末中，如同沙子與水混合會形成更堅固的結(jié)構(gòu)，一層粉末會在選擇區(qū)域內(nèi)發(fā)生粘合，重復(fù)這個過程，下一層粉末會與上一層粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，從而層層堆疊成型。當使用材料是金屬和陶瓷材料時，需要通過高溫燒結(jié)去除粘合劑并實現(xiàn)粉末顆粒間的冶金結(jié)合，使成品具有一定的強度與密度。

優(yōu)點：成型效率高，可同批次打印不同顏色，無需支撐結(jié)構(gòu)。

缺點：粗糙度大、成型件致密度較低，對于金屬和陶瓷等需脫脂燒結(jié)等后處理工藝，對于聚合物可能需要添加蠟等以增加結(jié)構(gòu)強度。

六、粉末床熔融成型

Powder bed fusion

這是另一種基于粉末床的方法，主要用于金屬部件的打印制造。與前面所述的打印方法不同，粉末床熔融不涉及沉積粘合劑來實現(xiàn)打印，主要代表有選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）和電子束選區(qū)熔化（Electron-beam selective melting, EBSM）等。粉末床熔融的過程大體為，使用鋪粉輥將存放在料斗和貯料器內(nèi)的粉末材料均勻地涂覆在打印平臺表面上，在真空環(huán)境下，利用高功率激光或電子束等高能束來熔化和燒結(jié)粉末，使之結(jié)合在一起，隨后再涂覆一層粉末進行下一層燒結(jié)，直至形成整個實體。其中，電子束選區(qū)熔化會對粉末床進行預(yù)熱，整個腔室溫度最高可達上千度，極大程度降低成形零件的殘余應(yīng)力；SLS需要添加額外的粘結(jié)劑，如低熔點金屬或者樹脂材料等。

優(yōu)點：精度高，可打印金屬（如鈦、鋁、銅、不銹鋼和高溫合金等）、陶瓷和尼龍等多種材料。

缺點：成本高，在打印大尺寸物體時容易發(fā)生翹曲，速度較慢。

七、片材層壓型

Sheet lamination

將材料進行激光切割后以粘結(jié)劑或焊接的方式結(jié)合在一起形成實體。與上文列出的其他工藝方法均不同，片材層壓打印技術(shù)可用材料除了金屬板，甚至還有紙等幾乎其他任何可以卷曲的材料。片材層壓主要包含分層實體制造（LOM）和超聲波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing, UAM）等。LOM是利用膠水將多層紙粘合并用鋒利的刀切割，無需加熱或熔化。每張紙的切割方式略有不同。UAM是使用超聲波焊接機來粘合金屬片或金屬帶，每個金屬層都被軋制在生長的結(jié)構(gòu)上，最大的技術(shù)優(yōu)勢是低溫，適用于對溫度敏感的低熔點材料。

優(yōu)點：成型速度快，精度高，翹曲變形小。

缺點：層間粘接差，成型樣件結(jié)構(gòu)強度存在明顯的各向異性，材料的利用率較低，只能制作簡單結(jié)構(gòu)部件。

應(yīng)用實例

在科研及產(chǎn)業(yè)界大量研發(fā)投入的驅(qū)動下，3D打印對制造業(yè)的升級能力以創(chuàng)新為宗旨，從應(yīng)用端的引入深度和廣度切入，為各下游行業(yè)進行價值賦能和創(chuàng)造革命，覆蓋領(lǐng)域包括航天軍工、汽車船舶、能源動力、生命醫(yī)療、文化創(chuàng)意和建筑等。

在航空和能源領(lǐng)域，近期，美國Arris Composites與空中客車公司合作在3D打印碳纖維復(fù)合材料市場發(fā)力批量制造，打造輕量型客艙支架；索爾維與OEM 9T Labs合作將3D打印碳纖維增強塑料部件引入量產(chǎn)，用于生產(chǎn)航空、自動化和石油天然氣等行業(yè)所需的中小尺寸零部件。

回顧國內(nèi)，3D打印產(chǎn)業(yè)在《中國制造2025》的引導(dǎo)下迎來高速發(fā)展契機，正助力國內(nèi)商業(yè)火箭的快速發(fā)展。2021年2月，重慶壹零空間首次采用3D打印姿控動力系統(tǒng)產(chǎn)品飛行，2021年7月，由3D打印制造發(fā)動機的深藍航天液體火箭低空垂直回收飛行試驗成功。可見3D打印已催生火箭制造的新賽道，并逐漸成為火箭制造過程中的重要支撐技術(shù)。

在鞋服飾品行業(yè)，Nike使用3D打印技術(shù)為美式足球運動員制作的蒸汽激光魔爪(Vapor Laser Talon)足球鞋的原型，Adidas的FutureCraft系列是全球最早實現(xiàn)10萬雙銷量的3D打印鞋。

在汽車家電方面，2021年6月，總投資超過1500萬歐元的寶馬增材制造中心正式開業(yè)，利用3D打印技術(shù)這一創(chuàng)新方式，寶馬集團已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)百萬個汽車零件。同時，米其林計劃與通用汽車合作開發(fā)第一個3D打印無氣輪胎，將為汽車行業(yè)注入全新的活力與價值。

在制造醫(yī)療假體方面的發(fā)展則不僅僅局限在骨科、假耳等，還包括眼部假體，2021年11月，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫研究所在3D打印假眼臨床應(yīng)用方面的突破表明3D打印制造醫(yī)療假體的商業(yè)化趨勢。

相信隨著需求的不斷挖掘、政策的持續(xù)引導(dǎo)和行業(yè)標準的逐步規(guī)范化，3D打印應(yīng)用的廣度和深度將進一步加速拓展。

3D打印技術(shù)從1980s誕生至今只有短短三十多年，卻正在引領(lǐng)世界性的制造業(yè)革命。作為“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿足了定制與大規(guī)模生產(chǎn)的要求，并在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出無限的創(chuàng)造性。3D打印產(chǎn)業(yè)正進入成長期，預(yù)計到2026年全球3D打印產(chǎn)值有望達到372億美元，全球競爭已拉開序幕。但如何實現(xiàn)精密化、智能化、通用化和便捷化是擺在3D打印技術(shù)面前的重要課題，期待在其不斷完善與精進的路上能夠為未來智能制造帶來里程碑式的變化。

審核編輯 ：李倩