不明觉厉的3D打印技术
2015-12-17杨员清
■ 文/杨员清
不明觉厉的3D打印技术
■ 文/杨员清
3D打印技术进入大众视野，缘起于2012年3D打印手枪的轰动性新闻。
随着3D打印机相关的新闻出现频率越来越高，身边的朋友都在问，3D打印机到底可以干什么，是不是真的什么都可以打印？有那么神？
因为媒体带有夸张性质的宣传，人们对3D打印技术存在一定的误解。本文着重向大家介绍3D打印机的技术类型与应用，以及该技术在包装行业的应用前景。
3D打印机技术类型
在技术类别上，3D打印机可以分为熔融堆积、光固化、选择性激光烧结、粉末堆积等主要技术类型。
1. 熔融堆积
熔融堆积，即FDM技术（Fused Deposition Modelling）。运用丝状材料（白腊、塑料、低熔点合金丝）为耗材，通过打印头加热，把耗材加热软化，按照电脑3D模型作“一笔画”。在控制系统的驱动下，喷头作 x-y 平面运动，将熔融的资料涂覆在作业台上，冷却后构成工件的一层截面，一层成形后，工作平台下移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积构成三维工件。
该技术在商用级3D打印机技术中有非常广泛的应用。
同时，因为耗材价格低廉，硬件结构相对简单，可以设计出非常具有成本效应的3D打印机，所以目前消费级3D打印机都是基于该技术。
该技术主要用于塑料材质的打印，包括ABS、PLA、尼龙、PE、PC、可溶性材料，等等。新闻中常出现的食品打印机和器官打印机，都是基于这个技术类型，只是送料和挤出机构有所区别罢了。
2. 光固化技术
SLA全称Stereolithography（光固化技术，亦称立体印刷术）。它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。该技术的基础原理与印刷行业的直接制版机（CTP）的基本工作原理类似。
该技术多用于商用级3D打印机。
由该技术的特点可以知道，该技术类型只可以打印塑料材质的物品。
3. 选择性激光烧结
选择性激光烧结，即SLS（Selective Laser Sintering）。和SLA类似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是塑料粉末或金属粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。
该技术多用于工业级3D打印机。
该技术可以应用于塑料材料打印和金属材料打印，但因为塑料和金属粉末打印所使用的激光器和振镜系统是完全不同的，所以，SLS机型是无法做到同时可以打印塑料和金属的。
4. 粉末堆积
粉末堆积技术，即3DP（Three Dimensional Printing，也称三维打印）和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。如图所示，左边为储粉缸，右边为成型缸。打印时，左边会上升一层（一般为0.1mm），右边会下降一层，滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸，铺上厚度为0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。（平面打印机的Y轴是纸在动，而3DP的Y轴是打印头在动）液体要么是粘合剂要么是水（用于激活粉末中粉状粘合剂）。
该技术多用于商用级3D打印机。
从以上的介绍可以知道，没有一种打印技术类型可以同时打印塑料和金属的。所以，希望一台打印机打印所有物品的想法，是不切实际的。
3D打印机产品的应用
3D打印技术从技术原理上来讲，生产速度远无法与传统模具化生产的方式相比，这相当于喷墨打印与胶版印刷的速度差别。而打印精度层面，随着技术的发展，可以慢慢追赶开模生产的产品，但短时间内仍无法与开模产品相媲美。
目前，3D打印机的应用主要在以下三个方面：
1. 作为最终产品
多用于小批量定制/产量比较小/生产周期比较长的产品，3D打印机无需模具，缩短开发周期和减少开发成本的优势非常明显。另外，传统生产方式无法加工的产品，比如复杂的镂空结构，开模和数控加工无法实现，就可以通过3D打印机来生产。
这在飞机制造、军工、航天等行业比较常见，小批量定制行业也有大量应用。
2. 作为开模前的设计验证
这是3D打印机在商业应用上的主要用途，也是最为广泛的用途，工业设计、机械设计、玩具设计等行业，在产品开发前期用3D打印机将模型打印出来，进行模型验证和修改，确认无误后再交付开模，可以大大减少模具修改造成的时间和资金浪费。
另外，在建筑设计、景观设计等创意行业，也可以使用3D打印机将模型输出，用于创意传达和沟通。
3. 消费级应用
这一类应用，目前用户群主要包含DIY爱好者和设计师群体等，3D打印机技术的不断完善过程中，会吸引越来越多普通消费群体的加入，他们将是消费级3D打印机将来的主要消费群体，3D打印机的产业规模很大程度上取决于该群体的成熟与壮大。
3D打印技术在包装行业的应用
3D打印技术可以在包装设计阶段用于注塑产品开模前的打样，如化妆品瓶子、化妆盒、唇膏、睫毛刷等。
目前，3D打印机可以选择的塑料类型相对丰富，常见的有ABS、PLA、LDPE、HDPE、尼龙等，可以在设计阶段对包装的外观、结构进行细致的验证，大大缩短包装开发周期。
以下是一些打印样品，以供欣赏。
