一、3D打印簡介

1. 3D打印概念

3D打?。?D），三維打印，與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，3D打印是增材制造，一種快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎，利用粉末狀金屬或塑料粘合材料，構(gòu)建的技術(shù)通過逐層打印對象。

3D打印技術(shù)的起源可以追溯到19世紀末的美國。越來越多的愛好者積極參與到3D打印技術(shù)的開發(fā)和推廣中。

傳統(tǒng)噴墨打印機的工作過程是通過計算機發(fā)出打印控制指令。噴墨打印機拿著電腦傳來的文件，在紙張表面噴上一層墨水，形成二維圖像。3D打印也是如此。通過點擊控制軟件中的“打印”按鈕，控制軟件通過切片引擎完成一系列的數(shù)字切片，然后將這些切片的信息傳輸?shù)?D打印機，由3D打印機逐層打印，然后堆疊起來. 直到形成一個固體物體。

二、發(fā)展歷程

19世紀末，由于兩次工業(yè)革命的刺激，歐美國家的商品經(jīng)濟在18、19世紀迅速發(fā)展。為滿足科學研究和產(chǎn)品設計的需要，快速成型技術(shù)從這一時期開始萌芽。2012年4月，英國著名經(jīng)濟學雜志The Third 的封面文章全面掀起了3D打印新浪潮，并以編年史的形式簡要描述了3D打印技術(shù)的發(fā)展：

1892年，首次提出用分層成型法制作地形圖的設想。

1940年，有人提出可以沿等高線的輪廓切割紙板，然后層壓制成3D地形圖。

1972年，在紙板層壓技術(shù)的基礎上，首次提出使用光固化材料。將光敏聚合物樹脂涂在耐火顆粒上，然后將這些顆粒填充到層壓板中。加熱后會生成相應的板層。光有選擇地投射到這一層上，使指定部分硬化，而沒有被掃描的部分會用化學溶劑溶解，這樣層層不斷堆積，直到最終形成三維模型。這種方法適用于制作表面難以加工的傳統(tǒng)工藝品。

1989年，得克薩斯大學奧斯汀分校的CR發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)工藝（Laser，SLS）。SLS技術(shù)應用廣泛，支持尼龍、蠟、陶瓷、甚至金屬等多種材料的成型。

1993年，麻省理工學院薩克斯教授發(fā)明了3D打印技術(shù)（Three-，3DP）。3DP 技術(shù)使用粘合劑將金屬、陶瓷和其他粉末粘合成一定形狀。

2005年，Z公司推出全球第一臺高精度彩色3D打印機Z510，將3D打印帶入彩色時代。

2007年正式成立3D打印服務初創(chuàng)公司，建立3D打印設計在線交易平臺，為用戶提供3D打印服務。2008年，第一臺開源桌面3D打印機發(fā)布。

2013年，中文版《科學美國人》( )評選出2012年最令人難忘、對人類社會影響最深遠的十大新聞，其中3D打印位列第九。

2. 3D打印原理與技術(shù)

一、3D打印的原理

3D打印技術(shù)采用分層加工和疊加成型的方式完成3D實體打印。每層的打印過程分為兩個步驟。第一步是在需要成型的地方噴上一層專用膠水。第二步是噴涂一層均勻的粉末。粉末遇到膠水會很快凝固，沒有膠水的地方還是松散的。物理模型由膠水和粉末層交替打印而成。打印完成后用三d打印機造輪胎，可以去除松散的粉末來規(guī)劃模型，剩余的粉末可以回收利用。

3D打印按材料可分為塊狀材料、液體材料和粉末材料。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）和3D打印技術(shù)委員會（F42委員會）的標準，7種3D打印工藝及所用材料如表1所示。

二、3D打印技術(shù)的分類

1）光固化成型

光固化成型技術(shù)（SLA），以光敏樹脂為材料，通過紫外光固化，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品，如圖1所示。

圖1 SLA工作原理圖

光固化樹脂材料主要包括低聚物、活性稀釋劑和光引發(fā)劑。該技術(shù)的優(yōu)點是原材料利用率接近100%，成型過程自動化程度高，尺寸精度高，表面質(zhì)量優(yōu)良，可制作結(jié)構(gòu)復雜的模型；缺點是價格高，零件容易變形，能用的材料和液態(tài)樹脂都有。氣味和毒性，使物品更脆等。

2）熔融沉積制造

熔融沉積（fused，F(xiàn)DM）又稱熔絲沉積，是將絲狀熱熔材料加熱熔化，通過帶有細噴嘴的噴嘴擠出。熔化后，熱熔材料從噴嘴噴出，沉積在面板或上一層固化材料上。溫度低于凝固溫度后開始凝固，通過材料層層堆積形成最終產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 FDM工作原理圖

所用材料一般為熱塑性材料，如ABS、PC、蠟、尼龍等。優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和操作簡單、成本低、材料利用率高、易于支撐等；缺點是成型件表面有明顯的條紋，沿成型軸線垂直方向的強度較弱，需要設計制造支撐結(jié)構(gòu)，打印速度慢。還有多噴頭FDM和氣壓FDM，實現(xiàn)多種材料的混合打印。

3）選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（laser，SLS）利用粉末材料在激光照射下燒結(jié)的原理，由計算機控制，形成堆疊層。步驟是：先鋪一層粉末材料，將材料預熱到接近熔點，然后用激光掃描該層的橫截面，將粉末的溫度升高到熔點，然后燒結(jié)到形成結(jié)合，然后重復鋪粉和燒結(jié)過程，直至整個模型成型，如圖3所示。

圖3 SLS工作原理圖

該工藝可生產(chǎn)塑料、陶瓷、石蠟、金屬等材質(zhì)的零件。

技術(shù)優(yōu)勢在于可使用尼龍、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等多種材料，生產(chǎn)工藝簡單，無需支撐結(jié)構(gòu)用三d打印機造輪胎，材料利用率高，打印件具有機械性能好，強度高。缺點是表面粗糙，燒結(jié)時有揮發(fā)性氣味，輔助工藝復雜，料粉松散，燒結(jié)后成型精度低。

4）聚合物注射技術(shù)

聚合物注射技術(shù)的原理()如圖4所示。

圖4 聚合物注入技術(shù)示意圖

噴印頭沿X軸作前后運動，其工作原理與噴墨打印機相似，只是噴頭噴射的是光敏聚合物。將光敏高分子材料噴涂到工作臺上后，UV紫外燈會沿噴嘴的工作方向發(fā)射UV紫外光，使光敏高分子材料固化。

完成一層的噴印固化后，設備內(nèi)置的工作臺會準確下降到成型層的厚度，噴嘴繼續(xù)噴射光敏高分子材料進行下一層的打印固化。整個工件的印刷是逐層平面印刷完成的。

使用的激光光斑為0.06~0.10mm，打印精度高于SLA。可以使用多個噴嘴，打印光敏樹脂時可以使用水溶性或熱熔支撐材料。但是SLA/DLP的打印材料和支撐材料來自同一種光敏樹脂，去除支撐時很容易損壞打印件。

由于可以使用多個噴頭，可以實現(xiàn)不同顏色、不同材質(zhì)的打印。

主要優(yōu)點如下：

(1)印刷精度高。高達 16μm 的層分辨率和 0.1mm 的精度可確保平滑、精確的零件和模型。

(2)清潔。非常適合辦公環(huán)境，具有非接觸式樹脂裝載/卸載和輕松去除支撐材料的功能。

(3)印刷速度快。在整個寬度上進行高速光柵堆積，無需后固化即可快速打印。

(1)用途廣泛。由于打印材料的多樣性，它可以適用于不同幾何形狀、機械性能和顏色的零件。此外，所有類型的模型都使用相同的支撐材料，因此更換材料既快捷又容易。

缺點主要有以下幾點：

需要支撐結(jié)構(gòu)，耗材成本較高，成型件強度較低。

5）電子束選區(qū)熔化技術(shù)

電子束選區(qū)熔化技術(shù)（beam，EBSM）以高能電子束作為加工熱源，通過操縱磁偏轉(zhuǎn)線圈進行掃描成形，電子束的真空環(huán)境可以防止金屬粉末在加工過程中被氧化液相燒結(jié)或熔化。

利用電子束轟擊下金屬粉末熔化的原理，先在鋪粉面上鋪一層粉末并壓實；然后電子束根據(jù)截面輪廓的信息，在計算機的控制下，逐層選擇性地熔化和燒結(jié)，直至整個零件完全熔化和燒結(jié)。

該技術(shù)無需掃描機械運動部件，電子束移動方便快捷，可實現(xiàn)快速偏轉(zhuǎn)掃描功能。由于電子束能量利用率高、熔透能力強、加工材料范圍廣等特點，EBSM在人體植入、航空航天小批量零件、野外零件快速制造等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

EBSM技術(shù)的優(yōu)點如下：

(1)成型過程不消耗保護氣體。完全隔離外界環(huán)境干擾，無金屬氧化問題。

(2) 無需預熱。由于成型過程是在真空狀態(tài)下進行的，熱量的散失只能靠輻射來完成，沒有對流，成型過程中熱量保持得很好，不需要預熱裝置。

(3) 良好的力學性能。模制件非常致密，相對密度高達 100%。由于成形過程是在真空下進行的，成形件內(nèi)部一般不存在氣孔，成形件內(nèi)部組織呈快速凝固形式，力學性能甚至優(yōu)于鍛造試件.

(4)純度好。真空環(huán)境中沒有其他雜質(zhì)，這是其他快速成型技術(shù)難以做到的。

(5) 不需要支持。成型工藝采用粉體作為支撐，無需額外添加支撐，省去成型前加支撐，成型后去除支撐，節(jié)省成型時間。

EBSM技術(shù)的缺點如下：

(1) 受限于電子束不能非常精細地聚焦，精度有待提高。

(2)成型前需要長時間抽真空，占了配電盤的大部分電能消耗。

(3)成型后，熱量只能通過輻射散失，冷卻時間長。

(4) 真空室的四壁必須具有很高的耐壓性。

(5)為保證電子束發(fā)射的穩(wěn)定性，成型室要求潔凈度高，工藝要求高。

(6) 使用的高壓會產(chǎn)生強烈的X射線，必須采取防護措施。

6) 層壓實體的制造

層壓實體制造（LOM）由計算機、儲料送料機構(gòu)、熱粘合機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺、數(shù)控系統(tǒng)及機架等組成。

LOM的原理是在工作臺上做承印物，工作臺下降，送紙輥進紙一步，工作臺上升，熱壓輥將背面涂有熱熔膠的紙卷起，將當前層疊與原層疊或基板粘貼在一起，切片軟件控制激光根據(jù)模型當前層的輪廓進行層層切割，逐層制作。完成所有堆疊后，去除多余的廢物，如圖 5 所示。

圖5 LOM工作原理示意圖

所用材料主要是應用紙、塑料薄膜、金屬箔等薄層材料。技術(shù)優(yōu)點是原材料便宜，生產(chǎn)尺寸大，不需要支撐結(jié)構(gòu)，操作方便等。缺點是工件表面有臺階，抗拉強度和彈性工件的硬度差，容易吸潮膨脹。

三、3D打印的特點和優(yōu)勢

一、3D打印的特點

1）數(shù)字化制造

借助建模軟件，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動機械設備加工制造成裝置。還可以通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)字文件，實現(xiàn)異地分散制造的生產(chǎn)模式。

2）降維制造（分層制造）

即把3D結(jié)構(gòu)物體分解成二維的分層結(jié)構(gòu)，逐層累加形成3D物體。3D打印技術(shù)可以制作任何復雜的結(jié)構(gòu)，制造過程更加靈活。

3）堆疊制造

“自下而上”的堆疊方法對于實現(xiàn)具有不均勻材料和功能梯度的器件具有優(yōu)勢。

4）直接制造

任何高性能和難以成型的零件都可以通過打印直接制造，無需組裝和拼接等復雜過程。

5）快速制造

3D打印制造流程短、全自動，可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，讓制造更快、更高效。

二、3D打印的優(yōu)勢

1) 制造復雜的物品不會增加成本

就傳統(tǒng)制造而言，物體的形狀越復雜，制造成本就越高。對于 3D 打印機來說，制造具有復雜形狀的物體的成本不會增加。

2）產(chǎn)品多元化不增加成本

3D打印可以打印出很多形狀，像工匠一樣每次都能做出不同形狀的物品。3D打印只需要不同的數(shù)字設計藍圖和一批新的原材料。

3) 無需組裝

3D打印可以使零件一體成型。通過分層制造，可以同時打印出一扇門及其配套的鉸鏈，無需組裝，節(jié)省人工和運輸成本。

4) 零時間交貨

3D打印機可以按需打印，減少企業(yè)的實物庫存，可以實現(xiàn)按需就近生產(chǎn)，零時間交貨，可能形成一種新的商業(yè)模式。

5) 無限的設計空間

傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠創(chuàng)造形狀的能力受到所用工具的限制。3D打印可以突破這些局限，開辟出巨大的設計空間。

6) 零技能制??造

大規(guī)模生產(chǎn)和計算機控制的制造機器降低了技能要求，并消除了對專門機器調(diào)整和校準的需要。非技能制造帶來新的商業(yè)模式，可以為人們在偏遠環(huán)境或極端情況下提供新的生產(chǎn)方式，并可以與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成新的模式。

7) 材料無限組合

利用多材料3D打印技術(shù)比較容易實現(xiàn)不同材料的融合，實現(xiàn)多材料器件及其功能。

8) 精確的實體復制

使用 3D 打印技術(shù)可以通過掃描、編輯和復制物理對象、創(chuàng)建精確副本或優(yōu)化原件，將數(shù)字精度擴展到物理世界。

4. 3D打印應用

3D打印技術(shù)可應用于模具制造、工業(yè)設計、航天國防、醫(yī)療行業(yè)、文物保護、建筑設計、制造業(yè)、食品行業(yè)等眾多行業(yè)。

1、醫(yī)療行業(yè)

3D 打印現(xiàn)在已經(jīng)在制造人體器官、活組織、骨骼等方面找到了實際應用。

1）打印機構(gòu)

3D打印技術(shù)可以通過制作半透明的器官模型，幫助外科醫(yī)生了解器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它可以準確復制人體心臟模型，幫助醫(yī)生在手術(shù)前研究疑難并發(fā)癥患者的心臟結(jié)構(gòu)。3D 打印還可用于使用添加到細胞混合物凝膠中的可生物降解支架逐層構(gòu)建器官。

2）打印外骨骼

3D打印的骨骼可以支撐殘疾人和肌肉萎縮者，輔助站立和行走，提高行動能力。它還可以幫助正常骨細胞的生長發(fā)育。人體骨骼修復后，原料可以自然溶解在人體中。

3）打印單元格

研究人員開發(fā)了一種基于閥的細胞印刷工藝，可以以特定圖案印刷細胞。在細胞打印過程中，噴嘴應施加適當?shù)牧Γ员Ｗo細胞和組織的活力。

4) 打印活體組織

研究人員模仿生物組織中的一些細胞特性，將小水滴組裝成膠狀物質(zhì)，可以像肌肉一樣彎曲，像神經(jīng)細胞一樣傳遞電信號，可用于修復或緩解器官衰竭。

5）打印血管

結(jié)合3D打印技術(shù)和多光子聚合技術(shù)，可以打印出人造血管。

6) 治療癲癇

日本科研團隊開發(fā)出一種光固化3D打印材料，它是一種新型的高導電樹脂。它可用于制作連接大腦的生物傳感器和 3D 微電極的接口。大腦中的神經(jīng)可以通過 3D 微電極的接口相互連接。，從而發(fā)送或接收來自神經(jīng)元的電信號，可用于深部腦刺激和相關(guān)疾病，如癲癇、抑郁癥、帕金森病的干預和治療。

7) 胎象診治

利用超聲波檢測子宮內(nèi)的胎兒并記錄各種數(shù)據(jù)；然后利用3D掃描技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行處理，模擬出胎兒的胚胎形態(tài)；最后用黃銅鑄造模型，有助于胎兒先天性缺陷的檢測。

3D打印對整個醫(yī)療行業(yè)有著深遠的影響。3D打印技術(shù)與克隆技術(shù)的結(jié)合有望解決器官排異問題。醫(yī)療機構(gòu)從3D打印的人體活組織中提取大量數(shù)據(jù)，有利于加快新藥研發(fā)。

2. 航天與國防

航空航天制造商使用 3D 打印來創(chuàng)建新的可定制部件。NASA已經(jīng)利用3D打印技術(shù)為用于執(zhí)行載人火星任務的太空探索飛行器（SEV）生產(chǎn)零部件，并正在探索在飛行器上搭載小型3D打印設備以實現(xiàn)“太空制造氣體”的可能性。

在某航空公司設計的直升機發(fā)動機中，采用了GE的3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了40%的零部件由3D打印制造，零部件數(shù)量從400個減少到16個。另一臺發(fā)動機從855個零部件減少到12個，重量減輕 5 磅，成本降低 80%。3D打印技術(shù)通過提高飛機和航天器的定制化設計和制造能力，顛覆性地改變了整個航空航天和國防工業(yè)。

3、建筑業(yè)

3D打印技術(shù)在建筑領域的應用包括建筑設計階段和工程施工階段。在建筑設計階段，可以制作建筑模型，設計師使用3D打印機將虛擬的3D設計模型直接打印成建筑模型。這種方法快速、環(huán)保、成本低。在建造階段，直接采用3D打印建造技術(shù)建造建筑物。3D打印建筑技術(shù)有利于減少資源浪費和能源消耗。

4、食品行業(yè)

人們對定制食品的需求正在逐漸增加。3D打印可以幫助定制食品的快速實現(xiàn)。利用3D打印技術(shù)，可以輕松調(diào)整食物的某些營養(yǎng)成分，可以根據(jù)具體需要自由制作不同糖分的食物。，對控制肥胖、糖尿病等問題有很大好處。

5、能源行業(yè)

GE 將 3D 打印集成到生產(chǎn)過程的許多階段。例如，通過3D打印技術(shù)，可以實現(xiàn)更堅固的鉆頭，現(xiàn)場打印可更換部件。金屬 3D 打印也被用于制造風力渦輪機和采礦設備。

3D 打印也可以使用石墨烯來完成。在電氣設備的設計中獲得一些自由，為能源系統(tǒng)開辟新的可能性。這種新方法使儲存可再生能源變得更加容易和可行。

6.制造

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，給制造業(yè)帶來了無限可能。3D打印降低了制造業(yè)的生產(chǎn)成本，制造效率也不斷提升。

1) 廢物預防

3D打印幾乎沒有資源浪費。3D打印采用增材制造代替減材制造。不需要清除邊角料，提高了材料的利用率，沒有任何損失。

2）樣機制作簡單

與傳統(tǒng)制造相比，3D打印在原型制作中的運用更加靈活。它不需要傳統(tǒng)的工具、夾具、機床或任何模具，可以直接在計算機上將任意形狀的3D圖形生成實物產(chǎn)品。

3）無縫生產(chǎn)

3D打印的制造過程更加自動化。選擇材料后，按下打印按鈕，項目將以無縫方式實現(xiàn)。

4) 大規(guī)模定制

借助 3D 打印，可以大量打印定制設計。

七、文物保護

文物作為一種不可再生資源，一旦遭到破壞或毀壞，將給考古工作者對歷史的考察和探索造成極大的困擾，從而抹殺人類的歷史記憶。利用3D打印和3D掃描技術(shù)，讓古代文物“起死回生”，讓古老的文化得以傳承。

5、3D打印與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合

3D打印行業(yè)正朝著速度更快、精度更高、成本更低、應用更廣、操作更簡便的方向發(fā)展。材料多元化發(fā)展：建立相應的材料供應體系將拓寬3D打印技術(shù)的應用場合。3D打印技術(shù)發(fā)展的未來將是4D打印。在3D打印的基礎上，加上一個時間軸，就可以完成一個任務。在偏遠環(huán)境或極端情況下，如飛船艙外螺母松動，可現(xiàn)場打印驅(qū)動。具有擰緊螺母功能的強力機械扳手。

3D打印產(chǎn)業(yè)鏈潛在發(fā)展空間巨大，尤其是上游打印材料和個人3D打印設備制造商將擁有巨大的商機。

3D打印技術(shù)將從工業(yè)應用逐漸滲透到日常生活中。比如車里有3D打印機，如果車的某個部件壞了，可以及時打印出來重新安裝。

3D/4D打印因為無所不能，會讓“異想天開”成為現(xiàn)實。

3D/4D打印與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，未來將深度融合。3D/4D打印將成為物聯(lián)網(wǎng)的終端執(zhí)行設備。結(jié)合云端控制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)機器人，實現(xiàn)超遠程感知、遠程控制、遠程執(zhí)行。物聯(lián)網(wǎng)機器人。

- 結(jié)尾 -

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