浅析现代3D打印技术

李初然

摘 要：第三次技术革命是发生在第二次世界大战后科技领域的重大革命。3D打印技术正是第三次工业革命的代表性技术之一，受到越来越多人的关注。3D打印是一种新型的制造工艺，在现在工业生产自动化和高端化的大背景下有着广泛的使用空间。本文在在介绍3D打印的概念的基础上，重点介绍3D打印的优缺点，材料，及关键技术等方面。同时分别分析3D打印的应用领域，以及发展状况，再进一步展望3D打印的未来发展，最后指出3D打印的应用趋势。

关键词：3D打印 增材制造 材料工艺

中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0091-02

1 3D打印简介

1.1 3D打印的概念

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，采用离散材料（液体、粉末、丝等），基于离散堆积原理，通过逐层累加的方式来制造任意复杂形状物体的技术增材制造技术，又称3D快速成型技术，3D打印技术，起源于20世纪80年代。于1983年，查克·赫尔发明了SLA（液态树脂固化或光固化）3D打印技术，其发明者将它称作立体平版印刷，3D打印技术也由此正式诞生。3D打印技术与传统建造技术不同之处，在于增材制造。增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，“自下而上”地制造零件。

1.2 3D打印的分类

现在较为成熟的3D打印技术主要有FDM熔融层积成型技术、3DP技术、SLA立体平版印刷技术等。

（1）FDM熔融层积成型技术。FDM熔融层积成型技术可用的材料种类多，成品精度较高，主要适用于成型小塑料件。FDM是三维喷头在计算机的控制下，根据扫描得到的信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至完成。

（2）3DP技术。3DP技术可以直接打印带有色彩的物品，但模型样品所传递的信息较大。用3DP技术的3D打印机通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，逐层创建各部件。SLA立体平版印刷技术成型速度快，尺寸精度高，可应用于复杂工件的快速成型。

（3）SLA技术。SLA技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。

1.3 3D打印的发展情况

3D打印技术得到了快速的发展，其实际应用领域逐渐增多，也受到越来越多的公司的关注。3D技术的多种优点也推动各国3D打印市场的发展。在减少材料损耗，加快研发周期的推动下，前瞻产业研究院预计未来数年全球3D打印市场将继续快速增长。据前瞻数据库数据显示，2016年全球3D打印市场规模达70亿美元，同比增长34.62%，预计2017年将增至125亿美元左右。中国3D打印技术的发展目前不如欧美国家，主要体现在技术及市场两方面。即技术被发展晚与投资少。所以我国的3D打印市场规模小于欧美国家，而且中国3D打印企业尚未实现国际化，占国际市场份额低。

2 3D打印的特点

2.1 3D打印的主要特点

3D打印带来了世界性制造业革命的原因，就在于以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的发明，情况就不一样了，打印出来的工件可以完全再现三维数据，这使得企業在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现，3D打印还被称作快速成型技术，工件的打印比以往的制造快了许多，很大程度上加快了产品研发周期。3D打印的另一个特点在于其的全自动化。3D打印过程开始后不需人工操作，完全颠覆了工业的制造方式。3D打印使得人们可以在商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，材料限制还很大，但在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用，更精确，更复杂的物品。

2.2 3D打印的优劣势

3D打印具有制造范围广、制造速度快、精确的实体复制、材料的多样性、零交付时间、材料损耗少等众多优点，但是在具有传统制造无可比拟的优点的同时，也尚存在一些缺点。比如材料的限制、成型件的精度和表面粗糙度等性能差且成型件的尺寸受限制、成本偏高、尚不可规模化生产等。

3D打印仍存在一些缺陷，但可以相信随着技术的进步，3D打印可以克服缺点，更好地造福人类。

3 3D打印的材料、设备和关键技术

3.1 3D打印的材料

理论上，任何材料都可用于3D打印的使用。但受3D打印工艺水平的制约，导致3D打印的可用材料的稀少。3D打印材料现在要分为光敏树脂，金属材料与陶瓷材料三大类。

3.1.1 光敏树脂材料

光敏树脂，即树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂。加入有光引发剂的原因在于，其在250～300nm的紫外线的照射下，可以立即发生聚合反应，完成固化，以实现层与层间的粘合。光敏树脂一般以液态形式存在，可用于制造高强度、耐高温、防水的高级材料，常见的光敏树脂有Somos Next材料、树脂Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂。

3.1.2 金属材料

自从3D打印技术开始发展以来，金属材料的3D打印使用就被各国重视，发展迅速。国防，轻工业，重工业等领域，3D打印技术就被寄予厚望，尤其是金属物件的制造。3D打印使用的金属材料一般要求纯净度高，粒径分布窄，球形度好。目前，主要的金属材料有钛合金，不锈钢和铝合金材料等。endprint

3.1.3 陶瓷材料

陶瓷材料也是3D打印的主要建材。其具有很多的优点，如高强度，耐高温，化学稳定性好等，但其也具有脆，不易成型等缺点。因为陶瓷材料所具有的缺陷，3D打印的成品往往会有较多的裂缝。目前，3D打印工艺的不成熟导致其尚不能投入商业化。

3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。陶瓷粉末和粘结剂粉末的比例配制是陶瓷打印中重要的步骤之一。粘结剂份量越多，烧结比较容易，但在后置处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度，粘结剂份量少，则不易烧结成形，比例的调配也成了目前的技术难点之一。

3.2 3D打印的设备

3D打印机（3D Prints）是一位名为恩里科·迪尼发明家发明的一种立体打印机。其主要有3个组成部分，分别是电子部分、软件和机械部分。电子部分主要是指系统板、主板、电机驱动板、温度控制板，加热管、热敏电阻、热床等。电子部分负责控制系统的运行。软件部分为固件、上位机程序、烧录软件等，控制整体设备的运行与打印过程的控制。机械部分即是3D打印的工作场所，主要组成部件为电机、支架、同步轮、同步带等。3D打印的方式根据坐标轴的建立有所不同，主要分为XoY坐标轴与极坐标系，其功能也不尽相同。

3.3 3D打印的核心技术

3D打印的核心技术主要有FDM、SLA、SLS、3DP等几种技术，应用最为广泛的便是3DP和Fdm工艺。

3.3.1 3DP工艺

3DP工艺采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。材料粉末通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（0.013～0.1mm，相当于一个层厚），供粉缸上升一个高度，按计算机数据铺出粉末，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一个建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此循环送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，而且成形结束后，比较容易去除，最后取出成品，加以处理、打磨。

3.3.2 Fdm工艺

即熔融沉积成型，快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法。熔融沉积成型的原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层“画出”截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

4 3D打印的应用领域

3D打印由于其为制造工艺，只要有行业需要模型与原型，就可以应用。所以基本上可以在任意领域内应用。3D打印需求较大的行业主要有政府、航天和国防、医疗设备、高科技等行业，尤其是航天航空业。

（1）3D打印可以打印出复杂的零件，而且有较高的精度，这使得航天航空领域所需的一些精细，复杂的零件可以十分快速的制造。并且3D打印的快速制造的特点可以加快各种机械的研发周期。

（2）3D打印可以打印出模型。借助3D打印的模型，不同领域的人可以对产品实现测试，评估，不仅有利于产品设计的暂时，也可避免不合格设计的大规模制造，以提高产品研发周期。

除了航空航天业，3D打印可应用于医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术，利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型，可指导手术方案设计，也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。3D打印不仅可以提供模型供医学生学习与研究，還可以提供更加丰富的治疗方案。

5 3D打印技术的未来发展

3D打印还处于初步发展阶段，其打印的设备尚属于小型，但已向大型化发展。随着3D打印技术的发展，材料的种类将会越来越多，并且成为3D打印一大特点。3D打印在太空的作用也会越来越大，更好的保障任务的完成与宇航员的安全。随着科学技术的进步，3D打印发展也迈入发展的快速期。3D打印越来越朝着设备向大型化，材料向多元化发展，从地面到太空，走入千家万户。

参考文献

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