3D打印技术概述

汪瀚宁++吴琴++秦学文

摘 要： 3D打印技术是一种利用三维数字模型逐层叠加成型的增材制造技术，其以颠覆性的制造原理被广泛运用于各行业与领域。文章对3D打印的定义、3D打印常见成型工艺及

一、3D打印的简介

（一）3D打印的定义

3D打印技术，学术上又称“添加制造”（additve manufacturing）技术，也称为增材制造或增量制造。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将塑料、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的制造方法[1]。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，也不需要众多的人力，直接由数字化文件生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

（二）3D打印的过程

对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上传统的喷墨打印机和某些工艺类型的3D打印在技术上确实比较接近。3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，最后形成所需的实体，所用设备即3D打印机。一般来说，通过3D打印获得实体需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段。

1.三维建模

三维模型通常有两种途径获取，一是通过3D扫描仪获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型；二是使用三维建模软件从零开始建立三维数字化模型。

2.分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入电脑中后，需要通过打印机配备的专业软件进一步处理，即将模型切分为一层层薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的精度决定。

3.打印喷涂

由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方法。常见的有光固化方法（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、选择性激光烧结法（SLS）等。

4.后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等，才能最终完成所需要的模型的制造。

（三）3D打印的特点

数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件；数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。

降维制造：把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。

堆积制造：采用分层制造的堆积方式对实现非匀致材料、功能梯度的器件更具优势。

直接制造：任何高性能难成型的部件均可通过打印方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等过程实现。

快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。

绿色制造：3D打印技术是增材制造技术，与传统减材制造相比具有较高的材料利用率，同时可以采用复杂的结构减少材料使用量，降低能源消耗，从而实现制造的绿色可持续发展。

二、3D打印常见成型工艺

现在常见的3D打印工艺有SLS、SLA、FDM。

（一）SLS（Selective Laser Sintering，选择性激光烧结）

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层一层层叠加生成所需形状的零件。工艺原理（见图1）。该工艺通常采用金属、石蜡、陶瓷粉末等作为成型材料。成型件强度高、无须设计支撑结构，但是成型后的工件表面比较粗糙，后期处理工艺比较复杂。

（二）SLA（Stereo lithography Appearance 立体光固化成型法）

立体光固化成型法是最早商用的3D打印技术，它采用的成型材料是液态光敏树脂，当特定波长与强度的激光照射到液态材料表面时，光敏树脂则会凝固为固体。激光由点到线再由线到面的依次扫描就形成一层面的成型作业，然后工作台升降一个层片的高度，在成型下一个层面，通过这种方式制造三维实体（见图2）

光固化成型法技术成熟度高、成型速度较快、表面精度较高，但是系统造价昂贵，成型件强度较低，所以还无法大范围使用。

（三）FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积制造）

熔融沉积制造是采用低熔点的丝状材料作为成型材料，通过热喷嘴把熔融的材料涂覆在工作台上，喷头作X-Y平面运动，工作台做Z向运动，然后逐层叠加成型（见图3）。这种成型工艺虽然需要设计辅助支撑结构，但是因为不需要复杂的能量束，使用维护简单，成本低，同时耗材种类相对丰富，所以该工艺使用较广泛，目前FDM系统在全球已安装快速成型系统中的份额大约为30%。

当然还有其他3D打印成型工艺，例如，分层实体制造（Laminated Object Manufactuing，LOM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每种技术都有各自的优缺点，应根据使用场景、材料、成本等因素选择合适的成型工艺。

三、3D打印的应用及其意义

3D打印机的应用领域极其广泛，从寻常百姓家的锅碗瓢盆，到关系到国家安全的国防事业，几乎各种领域都可以有它的身影。它的应用对象可以是任何行业，只需要这些行业提供3D数据模型或原型，3D打印机均可以加工。其中这些行业中对3D打印机需求较大的包括政府、航空航天、医疗设备、高科技研发、教育业及制造业。

医疗行业：从2010年美国成功打印活体器官开始，似乎直接打印人体也并不是不可能，它更类似于克隆技术，打印出来的活体器官不会与患者排斥，还可以打印骨骼、牙齿等。我们可以预计在将来3D打印机的发展中，在医疗方面引入一个全新的人体植入概念，让更多的患者看到希望。

产品研发：我们可以利用3D打印技术快速制造手板模型，这样不但保留原有结构的特征，还可以做比例缩减，缩短加工时间，降低生产成本，减少产品改良时间，更适合产品研究开发。

建筑设计：在建筑业，工程师和设计师们已经开始使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成本、环保，同时制作精美。完全符合设计者的要求，切实节省大量的材料和时间。

军事领域：航空航天是3D打印技术运用较为广泛的领域之一，国内外均已有成功的应用案例。飞机零部件往往结构复杂，形状特异，采用传统的制造方法不仅难以实现，而且成本高昂，而3D打印技术正好可以解决这方面的问题。在装备保养维修方面，通常需要大量备件保证装备全寿命的保养维修或战时的紧急维修，而3D打印技术提供的柔性制造能力能够满足多类型的零件制造的需求，降低经济成本，缩短维修保养周期[2]。

四、3D打印技术的发展趋势

2016年4月5日，Wohlers Associates公司发布全球3D打印行业最新年度报告—《Wohlers Report 2016》，报告显示，2015年全球增材制造和3D打印市场销售额达51.65亿美元，相比2014年增长率达25.9%[3]。英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将“3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一”[4]，这可以充分看出3D打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。

3D打印技术代表着生产模式和先进制造技术发展的趋势，虽然现在还面临许多挑战和难题，但是它使制造工艺发生深刻变革。它改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的模式，节省了材料和加工时间。同时3D打印技术带动制造技术的重大飞跃，3D打印技术是一门综合应用CAD/CAM技术、激光技术、光化学、控制、网络及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃，从而带动相关产业的发展。

D打印技术向日常消费品制造方向发展。据Wohlers Associates发布的报告显示，去年5000美元以下的桌面级3D打印机全球共售出278000台。报告中有一个图说明，从2010年到2015年，桌面级3D打印机的市场就像曲棍球棒一样，增长呈现从水平到垂直的趋势。桌面级3D打印机将作为计算机一个外部输出设备而应用。它可以直接将计算机的三维图形输出为实体。在科学教育、工业设计、产品创意等方面有广泛的前景[5]。

D打印技术向功能零件制造发展。3D打印技术优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁零件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、医疗等领域具有广阔发展空间。进一步的发展方向是提高精度和性能，同时向陶瓷零件和复合材料的增材制造技术发展。

D打印技术向智能化装备发展。目前3D打印机在软件和后处理方面还有许多问题需要优化。进一步提高软件的智能化和自动化，能够降低行业的准入门槛，从而推动3D打印技术和设备走向普通民众。

五、结语

任何技术都不是万能的，就目前而言，传统制造技术仍有很大的空间，3D打印技术应该与传统制造技术相互补充、支撑。随着材料科学的发展和制造精度的提高，3D打印技术以其制造原理的优势将会成为潜力巨大的制造技术。与传统制造技术一样，3D打印需要一个漫长技术积累和验证过程，只有通过长期、大量的应用研究，发现和解决本身固有的问题，才能使3D打印技术的应用不断向广度和深度发展。

参考文献：

[1]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013（4）：1-4.

[2]金大元.3D打印技术及其在军事领域的应用[J].新技术新工艺，2015（4）：9-12.

[3]Wohlers Associates Inc. Wohlers Report 2016[R].2016.

[4]第三次产业革命[J].经济学人（英），2012-04-21.

[5]Wohlers报告：2015年3D打印行业超51亿美元[EB/OL].http：//www.sohu.com/n/446369319/.