一文讀懂3D打印技術

如果讓你評選當今最能改變世界的一項技術，你會選什么?人工智能、區(qū)塊鏈、AR與VR技術，還是默默無聞的3D打印技術呢?相比于前幾位火爆全場的科學技術，3D打印仿佛流星一般，爆發(fā)剎那的閃耀后就消失眼前，實際上，3D打印技術正在以更快的速度改變著世界。

3D打印機(3D Printers)是一位名為恩里科·迪尼(Enrico Dini)的發(fā)明家設計的一種神奇的打印機，它不僅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印任何所需的物品的形狀。

3D打印機，即快速成形技術的一種機器，它是一種數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀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。常常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型或者用于一些產品的直接制造，意味著這項技術正在普及。

3D打印的技術原理

3D打印并非是新鮮的技術，這個思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣。中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟把它稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。三維打印通常是采用數字技術材料 打印機來實現(xiàn)。這種打印機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。

使用打印機就像打印一封信：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時，軟件通過電腦輔助設計技術(CAD)完成一系列數字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。

堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機使用“噴墨”的方式。例如，一家名為Objet的以色列3D打印機公司使用打印機噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質 噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。另外一家總部位于美國明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一種叫做“熔積成型”的技術，整個流程是在噴頭內熔化塑料，然后通過沉積塑料纖維的方式才形成薄層。

還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進行固化。它也可以使用一種叫做“激光燒結”的技術熔鑄成指定形狀。這也正是德國EOS公司在其疊加工藝制造機上使用的技術。而瑞士的Arcam公司則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒。

以上提到的這些僅僅是許多成型方式中的一部分。當遇到包含孔洞及懸臂這樣的復雜結構時，介質中就需要加入凝膠劑或其他物質以提供支撐或用來占據空間。這部分粉末不會被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支 撐物便可形成孔隙。如今可用于打印的介質種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。有些打印機還能結合不同介質，令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟。

3D打印技術的發(fā)展歷史

3D打印源自100多年前美國研究的照相雕塑和地貌成形技術，上世紀80年代已有雛形，其學名為“快速成型”。

在20世紀80年代中期，SLS被在美國得克薩斯州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來并獲得專利，項目由DARPA贊助的。1979年，類似過程由RF Housholder得到專利，但沒有被商業(yè)化。

1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當時的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。

說到3D打印，就不得不提3D打印機。3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體。現(xiàn)階段三維打印機被用來制造產品。 2003年以來三維打印機的銷售逐漸擴大，價格也開始下降。

該技術可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設計，建筑，工程和施工(AEC)，汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領域。

3D打印技術的核心制造思想最早起源于19世紀末的美國，到20世紀80年代后期3D打印技術發(fā)展成熟并被廣泛應用。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現(xiàn)之一。

目前，三維打印機的使用范圍還很有限，不過在未來的某一天人們一定可以通過3D打印機打印出更實用的物品。

3D打印能做什么?

打印服裝

早在2013年，維多利亞的秘密時裝秀上早已開始展示由3D打印技術制作的服裝，當時超模indsayEllingson穿戴著由3D打印機打印的一對翅膀、緊身胸衣和頭飾驚艷亮相，至今依舊讓人驚嘆。

打印人體假肢

2012年，一位蘇丹的男孩因為在兩軍對峙中受傷失去了自己的雙手，這件事被MickEbeling了解到，他當時在蘇丹成立了一個實驗室，同時配備一臺3D打印機，可以幫助截肢患者重新用3D打印技術，打印出自己最適合的假肢。

2016年，湖南的3D打印技術企業(yè)開發(fā)出打印人體骨骼的技術，并開始正式應用。前不久，韓國延世大學衛(wèi)生系統(tǒng)更宣布他們已經開發(fā)出可以正式商業(yè)化的3D打印人工義眼，幾乎可以以假亂真，由此可見，以后我們也許再也不會在大街上看到任何肢體殘疾的人士。

打印你想要的任何東西

實際上，發(fā)展到現(xiàn)在，生活中常見的物品幾乎都可以用3D打印技術進行制造。例如汽車，早已經可以用3D打印技術制作出來，目前各大發(fā)動機廠家甚至還嘗試利用3D打印技術制作汽車的引擎。再比如，我們的房子，早前上海的一家建筑公司就已經展出利用3D打印機制作的房屋，雖然看起來不怎么好看，但成本卻極為低廉，只需要五萬塊不到，你就可以擁有屬于自己的三方一廳了，前提是那塊地得是你的。除了房子，汽車，3D打印還能制作糖果，完全可以食用的糖果，無需擔心會出現(xiàn)任何問題，甚至連藝術品、槍支等都可以進行打印。

3D打印技術種類

SLA(Stereo lithography Appearance，立體光固化成型技術)

用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體。

SLA是最早實用化的快速成形技術，原材料是液態(tài)光敏樹脂。其工作原理是：將液態(tài)光敏樹脂放入加工槽中，開始時工作臺的高度與液面相差一個截面層的厚度，經過聚焦的激光按橫截面的輪廓對光敏樹脂表面進行掃描，被掃描到的光敏樹脂會逐漸固化，這樣就可以產生了與橫截面輪廓相同的固態(tài)的樹脂工件。此時，工作臺會下降一個截面層的高度，固化了的樹脂工件就會被在加工槽中周圍沒有被激光照射過的還處于液態(tài)的光敏樹脂所淹沒，激光再開始按照下一層橫截面的輪廓來進行掃描，新固化的樹脂會粘在下面一層上，經過如此循環(huán)往復，整個工件加工過程就完成了。然后將完成的工件再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產品。

優(yōu)點：

1.光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高;

2.由CAD數字模型直接制成原型，加工速度快，產品生產周期短，無需切削工具與模具;

3.可以加工結構外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具;

4.使CAD數字模型直觀化，降低錯誤修復的成本;

5.為實驗提供試樣，可以對計算機仿真計算的結果進行驗證與校核;

6.可聯(lián)機操作，可遠程控制，利于生產的自動化;

缺點：

1.SLA系統(tǒng)造價高昂，使用和維護成本過高;

2.SLA系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設備，對工作環(huán)境要求苛刻;

3.成型件多為樹脂類，強度，剛度，耐熱性有限，不利于長時間保存;

4.軟件系統(tǒng)操作復雜，入門困難;使用的文件格式不為廣大設計人員熟悉;

5. 由于樹脂固化過程中產生收縮，不可避免地會產生應力或引起形變;

SLS(Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結)

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉?？刂萍す馐賿呙锜Y新層。如此循環(huán)往復，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結，在燒結之前，整個工作臺被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結合。

優(yōu)點：

1.SLS所使用的成型材料十分的廣泛。目前可以進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和他們的復合粉末材料。成型件性能分布廣泛適合于多種用途。

2.SLS無需設計和制造復雜的支撐系統(tǒng)。

缺點：

SLS工藝加工成型后的工件表面會比較粗糙，增強機械性能的后期處理工藝本身也比較復雜。(粗糙度取決于粉末的直徑)

LOM(Laminated Object Manufacturing，分層實體制造法，又稱層疊成型法)

它以片材(如紙片、塑料薄膜或復合材料)為原材料，激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內外輪廓。切割完一層后，送料機構將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。

優(yōu)點：

1.工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結構件。

2.成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙;

3.制件性能：相當于高級木材;

4.主要用途：快速制造新產品樣件、模型或鑄造用木模。

FDM(Fused Deposition Modeling，熔積成型法)

該方法使用絲狀材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲)為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度(約比熔點高1℃)，在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆(也有文獻中寫的是工作臺下降一個截面層的高度，然后噴頭進行下一個橫截面的打印)，如此循環(huán)往復，熱塑性絲狀材料就會一層一層地在工作臺上完成所需要橫截面輪廓的噴涂打印，直至最后完成。

FDM工藝可選擇多種材料進行加工，包括聚碳酸酯、工程塑料以及二者的混合材料等。

這種工藝不用激光，使用、維護簡單，成本較低。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額最大。

優(yōu)點：

1.該技術污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形;

2.成形材料：固體絲狀工程塑料;

3.可以通過使用溶于水的支撐材料，以便與工件的分離，從而實現(xiàn)瓶狀或其它中空型工件的加工;

4.制件性能：相當于工程塑料或蠟模;

5.主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

缺點：

1.比SLA工藝加工精度低;

2.工件表面比較粗糙;

3.加工過程的時間較長。

3DP技術

3DP即3D printing，采用3DP技術的3D打印機使用標準噴墨打印技術，通過將液態(tài)連結體鋪放在粉末薄層上， 以打印橫截面數據的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實體模型，采用這種技術打印成型的樣品模型與實際產品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大，是目前最為成熟的彩色3D打印技術。

現(xiàn)有3D打印技術存在的問題及解決方法

材料的限制

目前主流的3D打印技術可以實現(xiàn)聚合物塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但目前無法實現(xiàn)打印的材料還非常多。材料的限制主要表現(xiàn)為兩個方面的限制，一方面，目前的3D打印技術可打印的材料種類有限，無法完全適應工業(yè)生產中所需的各種各樣的材料的打印。這使得3D打印技術只能應用于一些特定場合，普及推廣仍有很大的障礙。另一方面，針對特定的3D打印機，可打印的材料種類更是特定的幾種或幾類，這使得針對每種或每類材料，就需要設計專屬的3D打印機，通用性不如傳統(tǒng)的機械加工好。雖然目前在多材料打印上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。

解決方法：

針對以上兩方面問題，可以以這樣的思路尋求解決方案。一、研發(fā)新材料，這也是國家目前大力發(fā)展的方向。通過研發(fā)新型的打印性能好、材料性能還能達到傳統(tǒng)材料要求材料，提高3D打印技術的通用性。二、提高3D打印機本身的通用性。可以從模塊化設計角度出發(fā)，本體結構保持一致，對不同種類或類型的材料，只改變部分部件如噴頭，而且部件的拆裝性能要好，方便更換。

打印效率低

效率低可以從兩個角度進行分析。一、與傳統(tǒng)機械加工比較，機械加工是在毛坯的基礎上減材形成，通常毛坯和零件之間相差的材料較少，即需要去除的材料少，加工比較快;而3D打印技術必須將所有零件實體所需材料通過增材方式堆疊，材料體積大。所以從去除或堆疊得材料體積量來比較，增材的體積量通常比減材的體積量要大。二、從成型運動方面考慮，傳統(tǒng)的機械加工主運動多為旋轉運動，而3D打印技術為直線運動，旋轉運動更容易達到更大的速度，而且保持一定的穩(wěn)定性，3D打印技術的掃描運動為直線運動，很難達到較大的速度。因此，3D打印技術不僅所需加工的體積量大，而且運動速度受限，所以綜合加工效率低。

解決方法：

針對問題一，可以考慮在一定的規(guī)則毛坯材料上增材，減少需要打印的材料量，主要是用于大批量生產情況下，預先設計一系列實體輪廓中所包含的最小毛坯，在毛坯的基礎上打印。針對問題二，從機構學角度，可以設計可高速運動的機構 ，如并聯(lián)機構。另外也需要協(xié)調設計材料，增快其熔融速度或凝固速度。還可以從軟件及軌跡規(guī)劃角度著手，采用梯度設計思想，對于有強度等方面要求的，填充率選擇大一些，其他部分填充率小一些，而不是像目前整個實體都選擇同一填充率。

質量和精度低

首先是質量問題，由于3D打印采用“分層制造，層層疊加”的增材制造工藝，層與層之間的結合再緊密，也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄而成的零件相媲美，而零件材料的微觀組織和結構決定了零件的物理性能如強度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、氣密性等大多不能滿足工程實際的使用要求。其次是精度問題，由于3D打印技術固有的成型原理及發(fā)展還不完善，其打印成型零件的精度包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度都較差，不能作為功能性零件，只能做原型件使用，從而其應用將大打折扣。

解決方法：

對于質量問題，可以考慮從打印路徑的角度出發(fā)，使打印紋理走勢與零件主要受力方向一致，增加其強度，防止在力的作用下，零件發(fā)生撕裂或破壞。對于精度問題，盡可能研究高分辨率打印技術，將層分辨率降低，但也要考慮與打印效率的匹配問題。另外可以增減材技術相結合，通過減材技術進行表面處理或其他后處理。