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3D打印的技術(shù)原理

3D 打印作為目前工業(yè)制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，集合了多種技術(shù)，包括分層制造技術(shù)、機械工程、數(shù)控技術(shù)、CAD、激光技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料科學(xué)等，可以直接、快速、自動、精確地將設(shè)計電子模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種低成本而高效的實現(xiàn)手段。3D打印技術(shù)的基本原理是斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D 打印則是通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體技術(shù)，因此3D 打印制造技術(shù)又被稱為“增材制造技術(shù)”。

3D打印技術(shù)雖然有好多種，但思路基本都是一樣的，專業(yè)術(shù)語叫做“分布式材料制造”。

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3D 打印的特點

相比于傳統(tǒng)的打印技術(shù)與制造工藝，3D 打印的特點集中體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，一次性完成打印，不需要反復(fù)的切割、磨削，簡化了產(chǎn)品制作流程，縮短了生產(chǎn)周期。技術(shù)人員需要提前獲取產(chǎn)品的三維坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)特征，然后在計算機上利用特定的軟件生成三維模型，最后由計算機控制3D 打印機，完成產(chǎn)品的打印和制造，真正實現(xiàn)了“所見即所得”。

其次，成本較低，尤其是在批量化生產(chǎn)方面，相比于傳統(tǒng)的加工制造有更加顯著的成本優(yōu)勢。從生產(chǎn)方式上來看，3D 打印技術(shù)只需要前期獲取產(chǎn)品的三維坐標(biāo)和設(shè)計出產(chǎn)品的三維模型即可，剩下的工作全部由設(shè)備自動完成，只需要1 個人即可完成，人工成本、時間成本較低。最后，產(chǎn)品的精密化程度更高，特別是在精密零件制造方面，利用3D 打印所得產(chǎn)品的精確度可以達(dá)到0.01mm 級別，并且支持32 位色彩的彩色打印。

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3D 打印的關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)備、材料與技術(shù)，是構(gòu)成3D 打印的三個核心要素。

設(shè)備方面，主要包括3D 打印機、三維掃描儀、三維激光雕刻機、激光跟蹤儀等；

材料方面，常用的材料有光敏樹脂、塑料粉末、骨粉、聚乳酸等；

技術(shù)方面，包含了多種關(guān)鍵技術(shù)，例如3DP 技術(shù)、FDM 熔融層積成型技術(shù)、SLA激光光固化技術(shù)等。這些技術(shù)的操作方法、基本原理以及應(yīng)用優(yōu)勢，均存在較大的差異，具體如下。

3.1 三維噴繪打印技術(shù)

三維噴繪（3DP）技術(shù)是現(xiàn)階段最為常用的一種3D打印方式。所用設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印機，可以適配多種粉末打印材料，例如陶瓷粉末、塑料粉末以及骨粉等。預(yù)設(shè)程序、建立模型后，在計算機指令控制下，先鋪一層粉末，然后移動噴嘴，通過噴嘴將粘合劑噴到制定的區(qū)域，使粉末狀的材料粘結(jié)在一起。完成第一層打印后，可以得到產(chǎn)品的雛形，然后繼續(xù)重復(fù)上述步驟，在多次鋪粉、噴涂、粘結(jié)以后，最終得到所需的產(chǎn)品。如果需要打印彩色產(chǎn)品，可以選擇相應(yīng)顏色的粘結(jié)劑。

3.2 激光光固化技術(shù)

SLA 以光敏樹脂為原料，這種液態(tài)材料在一定波長（x=325nm）和強度（w=30mw）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。

3.3 SLS 選取激光燒結(jié)技術(shù)

SLS 工藝中使用到的設(shè)備有激光器、掃描鏡、平整輥等。技術(shù)流程為：首先在作業(yè)臺上鋪上一層合適厚度的粉末材料，優(yōu)先選擇光敏樹脂、石蠟粉末、塑料粉末，一般不得使用陶瓷粉末、金屬粉末。然后預(yù)設(shè)程序、讀取模型，在計算機控制指令下，激光器會發(fā)出激光束，并通過掃描鏡照射作業(yè)臺上的粉末材料。由于激光具有極高的能量，會對粉末材料進行燒結(jié)，首先形成產(chǎn)品的外部輪廓，然后繼續(xù)鋪粉，由外向內(nèi)的燒結(jié)粉末，經(jīng)過多次鋪粉、多次燒結(jié)后，最終形成所需的產(chǎn)品。相比于上述幾種3D 打印方法，基于SLS 工藝的選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)工藝流程相對簡便，而且產(chǎn)品制作的速度較快。但是這一技術(shù)也存在缺陷，例如對打印材料具有選擇性，金屬粉末、陶瓷粉末在燒結(jié)過程中需要消耗更多的能量，會導(dǎo)致成本上升，因此對于以金屬、陶瓷為主要材料的產(chǎn)品，不宜選擇這一技術(shù)。

3.4 DLP 激光成型技術(shù)

該技術(shù)與上文所述的SLA 立體平板印刷技術(shù)有一定的相似性，主要的區(qū)別在于DLP（數(shù)字光處理器）的運用。準(zhǔn)備好液態(tài)光聚合物以后，在材料的正上方設(shè)置高精密度的數(shù)字光處理器，技術(shù)人員調(diào)校設(shè)備，將光束移動到（0.0）坐標(biāo)處，在計算機指令的控制下完成照射，使液態(tài)材料逐漸固化。光固化的過程也是層層固化，但是固化速度更快，產(chǎn)品成型精度更高。另外，在產(chǎn)品的表面光滑度方面，也比其他的3D 打印技術(shù)具有優(yōu)勢。但是該技術(shù)也存在不足，例如對液態(tài)光聚合物的純度要求極高，如果摻雜了雜質(zhì)，將會對最終產(chǎn)品的性能造成負(fù)面影響。

3.5 LOM 分層實體制造技術(shù)

LOM 工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO(2) 激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。

3.6 PCM 無模鑄型制造技術(shù)

PCM 無模鑄型制造技術(shù)是2013 年由清華大學(xué)研發(fā)的一種新型3D 打印技術(shù)。其操作流程是：首先在計算機中繪制零件的CAD 模型，然后將該模型的參數(shù)以STL 文件的形式保存。根據(jù)零件模型轉(zhuǎn)化后得到鑄型CAD 模型。自上而下的進行分層，利用掃描設(shè)備逐層掃描，完成掃描后得到了模型的三維坐標(biāo)，然后開始從下往上的鋪砂、粘結(jié)。鑄型過程中使用到2 個噴嘴，其中一個噴射粘結(jié)劑，而另一個噴射催化劑。兩種材料同時噴射，在接觸后會發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，形成一層比較堅固的材料層。完成第一層后，按照順序進行第二層、第三層，直到得到最終的產(chǎn)品。

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3D 打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和限制條件

4.1 應(yīng)用領(lǐng)域

從1986 年出現(xiàn)第一臺商業(yè)3D 打印機至今，3D 打印技術(shù)雖然只有30 多年的發(fā)展歷史，但是已經(jīng)在建筑、醫(yī)療、航空等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在建筑行業(yè)，將3D打印技術(shù)與BIM 技術(shù)相結(jié)合，在計算機內(nèi)構(gòu)建建筑的三維模型，然后將其打印出來。通過3D 立體建筑模型，在建筑展示、施工參考等方面提供了技術(shù)支持；在醫(yī)療行業(yè)，利用3D 打印技術(shù)制作仿真的人造骨骼，臨床應(yīng)用效果理想。另外，醫(yī)生還可以利用3D 打印技術(shù)，制作病理模型，在仿真情境下進行手術(shù)預(yù)演，設(shè)計手術(shù)方案，提高了手術(shù)成功率。在航空航天領(lǐng)域，利用3D 打印可以制作出符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的高精密零件，例如發(fā)動機的渦輪葉片、一體化燃油噴嘴等，對提高航天器的整體性能也有積極幫助。除此之外，像工業(yè)制造中注塑模具的制造，以及個性化消費品的制造等等，隨著3D 打印技術(shù)的成熟與使用成本的降低，也相繼得到了推廣使用。

4.2 限制條件

3D 打印技術(shù)在推廣使用過程中，既突顯了強大的應(yīng)用優(yōu)勢，同時也面臨著較多的限制。從現(xiàn)階段的技術(shù)條件來看，限制3D 打印發(fā)展與推廣的因素主要包括以下幾種：第一，材料方面。通過上文分析可知，當(dāng)前3D 打印使用的材料主要是光敏樹脂、陶瓷、石蠟等。在應(yīng)用領(lǐng)域拓展的背景下，有限的幾種材料顯然無法滿足在一些新興領(lǐng)域的使用要求。例如無法使用金屬、合金材料進行3D打印，對其應(yīng)用產(chǎn)生了限制。另外，材料價格相對昂貴，在進行批量化打印時，高昂的成本也成為了限制因素。第二，器械方面。3D 打印技術(shù)要想實現(xiàn)全面商業(yè)化，必須降低設(shè)備價格?，F(xiàn)階段一臺普通3D 打印機的價格大約在5000 元左右，如果對精度有較高要求，設(shè)備價格則從一萬到幾萬不等。這對于普通用戶來說仍然屬于高消費，對3D 打印的全面普及產(chǎn)生了阻礙。

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3D 打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

5.1 標(biāo)準(zhǔn)更加完善

3D 打印技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，在市場規(guī)模不斷擴大的背景下，要想讓3D 打印可以得到規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，必須加強頂層設(shè)計、健全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由政府相關(guān)部門，或者是行業(yè)內(nèi)的權(quán)威機構(gòu)，盡快編制并出臺統(tǒng)一的制度標(biāo)準(zhǔn)，包括材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)評估標(biāo)準(zhǔn)等。有了完善的標(biāo)準(zhǔn)制度，為3D 打印技術(shù)發(fā)展提供強有力的保障。例如，近年來許多科研單位在納米材料、高分子復(fù)合材料、功能梯度材料方面展開了深入探究。在實行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，對各類材料的參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等予以規(guī)范，在選購3D 打印材料時，檢查是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而杜絕劣質(zhì)、“山寨”材料，保證打印產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

5.2 智能化程度更高

目前3D 打印技術(shù)在應(yīng)用時，對產(chǎn)品設(shè)計、參數(shù)處理等方面的專業(yè)性要求較高。除了增加工作人員的負(fù)擔(dān)外，也帶來了入門門檻高的問題。因此，隨著AI 技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，未來的3D 打印技術(shù)將會向智能化、簡便化方向發(fā)展，為用戶提供更加良好的使用體驗。具體發(fā)展路徑包括兩方面：其一是硬件方面，即3D 打印設(shè)備。除了進一步降低設(shè)備價格外，還應(yīng)當(dāng)提供更多人性化的功能，例如可視化功能，向用于展示整個3D 打印流程，用戶可以根據(jù)實時畫面隨時調(diào)節(jié)打印參數(shù)，有利于獲得想要的打印產(chǎn)品；其二是軟件方面，提供設(shè)計軟件、打印控制軟件等多種功能性軟件，支持更多類型的打印需求。

5.3 配套材料的發(fā)展

打印設(shè)備與打印材料是3D 打印技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵。研發(fā)適合3D 打印需求的多類型材料，也成為下一步該技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要內(nèi)容。除了當(dāng)前比較常用的光敏樹脂材料、高分子粉末材料外，像石蠟粉末材料、覆膜砂粉材料、金屬粉末材料，以及熔絲線材、木塑復(fù)合材料等，都有望在3D 打印中得到推廣使用。除了提供更加豐富的配套材料外，在材料的性能方面、穩(wěn)固性方面，以及特殊環(huán)境適應(yīng)性方面，也會得到極大的改善，從而讓3D打印產(chǎn)品可以在各個領(lǐng)域、各種環(huán)境發(fā)揮明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

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審核編輯 黃宇