3D打印综述

李宽，宋春华，蔡萧遥，邓杰，周洪婷，杨芯萍

（西华大学机械工程学院，四川 成都 610000）

前言

3D打印技术也说是“增材制造技术”，是相对于传统机械加工“减材制造”技术而说的，基于离散，堆积原理通过材料的逐渐积累来实现制造的技术。3D打印由计算机将成型零件的3D模型分成一定厚度切片最后叠加成形出三维实体零件。这种制造技术无需传统的刀具或模型，就可以实现传统工艺难以加工的复杂结构的制造，有效的简化了生产工序，缩短生产周期。本文基于国内，国外3D打印的技术研究情况和产品情况，阐述目前存在的一些常规问题，并提出拟解决方案，并在最后对3D打印的未来展望。

1 国外的研究情况

1.1 产品情况

Stratasys公司的 Dimension1200es是以 FDM 技术为基础，能够最大的构建尺寸，可打印9种颜色，累积层厚度为0.254mm-0.33mm。Dimension Elite拥有最佳分辨率 0.178 mm。Fortus250mc可以通过insight软件优化部件强度，制定填充路径，调节材料密度，并有 3种层分辨率选择。Objet Eden260VS，对于精巧或复杂的模型，自动可移除的支撑可以便捷地清洁水枪冲洗可能无法抵达或造成破坏的内部空隙和精细纹理。Eden 260VS 是首台支持可溶性支撑的 PolyJet 3D 打印机，Objet24，能够打印带有小型活动部件、薄壁及可着色光滑表面的逼真模型的桌面系统，价格极为经济。Objet260 Connex3，无需后期加工，PolyJet 模型可以打印后直接使用，无需二次固化。制作表面光滑及具有柔韧性的部件。使用橡胶材料来制作垫圈、插头和密封垫的原型。3D 打印可直接使用的、需要长时间接触皮肤的医疗器件，如耳型或手术导管。飞狼3D公司为AXIOM的双喷头3D打印机添加了在业界享有高度赞誉的双直驱动系统，这让AXIOM双喷头3D打印机能够制作更加干净的3D打印成品，并且可使得它更易于使用具有挑战性的材料，如聚丙烯，聚碳酸酯，TPE和TPU等等。WASP公司研制出使用塑料颗粒的3D打印机 DeltaWASP 3MT。美国初创公司 Tecnica推出了名为CASA的桌面级SLS 3D打印机，它的打印速度是同级别机器的250倍，它的打印精度可达 0.07mm，打印尺寸最大可为92x100x150 mm。加拿大蒙特利尔的Dyze Design公司发布了其最新版本的3D打印挤出机DyzeXtruder GT，采用双压驱动，金属挤出机构，挤推力达到9公斤。德国EOS将推出公司最大、最快的一款DLMS 3D打印机EOS M 400-4，这款设备安装有超快的四激光系统，其四个独立的激光器可以同时制造四个部件。

1.2 技术情况

NASA马歇尔航天中心近期采用选择性激光熔覆技术（SLS）制造了RS-25发动机的弹簧Z隔板，该零件用于减缓飞行中发动机可能遭遇的剧烈震颤，传统隔板的成形、加工和焊接需要9-10个月，而通过计算机辅助设计零件，利用SLS建造改隔板仅需9天[1]。宝马赛车动力系统采用了金属3D打印水泵轮，实现水泵轮的快速迭代和个性化定制，且无需生产模具，零部件修改的成本接近零[2]。美国哥伦比亚大学的NOROTTE教授等开发了一种基于三维自动电脑辅助沉积的生物凝胶球体3D打印技术，应用于无支架的小直径血管成形，体现了快速成型技术快速、可重复和可量化等优势[3]。德国亚琛工业大学医院 BLAESER等在液体碳氟化合物中打印琼脂糖凝胶，得到像分支血管样的中空3D结构[4]。德国卡尔斯鲁厄工业大学 WEGENER教授研究团队采用激光直写的方法，制造出了具有堆积木微观结构的超材料实现了在波长1.4-2.7μm范围内对非偏振光的隐形[5]。上世纪90年代，瑞典的Chalmers工业大学、Arcam公司在政府支持关注3D打印技术的基础上，成功研发了EBSM技术，并相继推出了一系列的产品、设备，尤其是在航天领域[6]，后期的AVIO公司推出了TiAl基合金发动机叶片，受到了航空制造界的广泛支持，关注。

2 国内的研究情况

2.1 产品情况

清华大学自行设备LOM工艺用纸，同时成功的解决了FDM工艺用蜡和ABS丝材的设备，并开发出了系列成型设备，其先进成型制造教育部重点实验室研制出国内第一台EBSM-150电子束快速制造装置，并与西北有色金属研究院联合开发了第二代EBSM-250电子束快速成形系统[7]，西安交通大学也在电子束熔融直接金属成型，以及光固化成型等3D打印基础工艺方面有深入的研究，并自行研制了LPS系列用光固化树脂，不过，他们研发的树脂由于色泽、机械性能等较差，使用量很小[8]。华中理工大学，早在上世纪90年代初就与新加坡KINERGY公司合作，开发出基于分层叠纸式（LOM）快速成型技术的Zippy系列快速成型系统，并建立起LOM成型材料性能的测试指标和测试方法[9]。华南理工与广州瑞通激光科技有限公司开发的 SLM 制造设备DiMetal-280在特定材料的关键性能方面可以与国外同类产品相媲美[10]。近年来，国内许多企业已经实现了3D打印机的生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端，目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求。

2.2 技术情况

北京航空航天王华明和他的科研团队围绕大型复杂零件锻造技术，不断创新，寻求突破，用五年时间走出了一条与传统方法截然不同的新路—通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积，直接根据零件模型一步完成大型复杂高性能的金属零部件，这项技术的特点是高性能、低成本、短周期，使得很多传统方法不能做出的构件成为了可能[11]。沈阳航空航天大学激光快速成型实验室进行了MPLS方面的研究，并开发出相应的可以加工成型的全密度金属成型零件的系统，该系统能加工零件的最大成型尺寸为200mm×200mm×100mm，精度达到0.1mm[12]。清华大学器官制造中心王小红教授2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定几乎所有细胞组装的通用基质材料，如明胶纤维蛋白原，并通过了教育部组织的成果鉴定会[13-14]。清华大学利用自主研发的国内首台生物材料低温打印设备，将合成高分子、生长因子等低温打印成形[15-18]。经过多年的发展，我国增材制造技术与世界先进水平基本同步，在高性能复杂大型金属承力构件增材等部分技术领域已经达到国际先进水平，成功研制出光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光近净成型、熔融沉积成型、电子束选区熔化成型等工艺装备[19]。

3 目前存在的问题及拟解决方法

3.1 问题

根据目前国外，国内的产品以及技术研究情况，目前只是利用计算机控制3D打印机，用的是鼠标和键盘输入命令，对于专业基础不是很强的人来说，难以实现普及化，如果执行过程中出现命令错误或是不能按照要求实现3D打印，计算机难以及时的反馈这些信息，为什么不让 3D打印机出现人工智能化的声音或者仅靠人类一个动作就能简单的控制3D打印机？

国内，国外的3D打印机很少有人利用太阳能作为新的技术开发利用，仅仅是从提高3D打印的精度和技术性能是不够的，还要实现新型能源与其结合，从而达到节约型、普及化的目的。从高效利用能源的角度考虑，我们为什么不能制造一台完全由太阳能提供能源的3D打印机？

针对超细金属送粉系统无法精确送粉、光敏树脂价格昂贵、3D打印成品精度不够高、材料经加热后堆积过程中无法准确的把握冷却的过程，我们不能只从送粉系统的开发研究上，材料才是重中之重，为什么不能设计一些敏感的智能材料呢？

传统的制造业已然很发达，有的提出3D打印是第三次工业革命，然而3D打印新型产业技术并不能完全取代传统的减材制造技术，为什么不能将3D打印这种增材制造技术与传统的减材制造技术相结合？

3.2 拟解决方法

如图1所示第一个问题牵涉到人机对话，用手势，语言与3D打印机交流，从而准确的按照人们的要求去打印实体，打印软件提前录入人体的肢体语言和语音，人类在指挥 3D打印时与软件的某一指令相重合，就会按照软件里面提前设定好的程序运行。3D打印机的内部设置全息影像，并在反馈系统中储存3D打印所有可能出现的动作、状态，然后当出现3D打印出现打印错误，或是在误差范围外时，这些动作会激活反馈系统中的相应程序，3D打印机这时会用人类的语言告诉你到底发生了什么。

3D技术应用于大型的金属构件打印，耗费的能源将是巨大的，主要的能源是电，不符合我国的可持续发展要求，所以能源问题的解决至关重要。近年来我国的太阳能开发已经取得显著成绩，太阳能手电筒普及各地，3D制造技术完全可以与3D打印技术完美结合，真正的实现3D打印产业的绿色化，节约化。解决了能源问题，3D打印技术将会在未来走的更远。

所谓的智能敏感材料就是指，传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、相应功能、自诊断能力和自适应能力。[20]现在材料只具备单一功能，要实现材料的真正智能化，必须将智能系统依附于材料内或是经过信息处理的材料与基本材料相糅合，从而制造出智能的敏感材料。人类依据材料的反馈内容会做出更加精准的判断，比如说金属精细送粉，现在大部分都是通过气体送粉，金属粉末并不能完全的被充分利用。但是智能化纳米级材料会自动贴合堆积材料，并将精度从材料本身反馈给系统，这将大大提高3D打印的精度。

目前国内的传统制造业已经成熟，但是高精度的复杂结构依然难以实现。3D打印技术虽然可以实现复杂结构零件的打印，但是精度还是不够。大多数的产品在用3D技术打印出来后，需要后期的精加工或者是抛光处理。要是能够开发一个系统，可以将3D打印与高速铣削相整合。在3D打印过程中如果出现误差过大，闭环的控制系统会将3D打印产品拉到传统的机床，进行车铣刨磨，直到将误差控制在设定的范围以内，再重新用3D打印机打印产品。

4 3D打印的未来发展趋势

3D打印理论上可以打印任何相对复杂的零件，3D打印如今已经在航空航天、医疗、建筑、教育等多方面崭露头角。

使用3D打印技术可大幅度降低生产成本，缩短加工周期，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，并能根据消费者自身需求量身定制产品，3D打印正在改变我们的生产方式，在未来时代，大批3D打印机将形成制造网络，成为个人灵巧的打印工厂。

3D打印与互联网、物联网、物流网紧密结合在一起，满足人们的各种需求。人类将会以新的方式进行生产制造，目前的制造格局将会被打破。

3D打印技术将会更加多元化，满足市场需求，SLA技术所用的光敏树脂材料将会被智能化材料所取代，SLS的送粉系统更加智能化，成型件的打印精度将会大大提高。FDM技术打印更加迅速、便捷，材料的利用率将达到百分之百3D打印技术普及到千家万户。

5 总结

基于国内外3D打印技术情况和产品情况，本文提出四个问题并提出拟解决办法，3D打印技术自开发以来，得到广泛关注，虽然我国的3D打印技术起步较晚，但是经过各大高校和企业的不懈努力，取得了显著的成绩，自主研发许多的产品，为3D打印未来市场打好了基础。3D打印技术天生就是为制做复杂、特殊零件而生，所以深受广大创客的喜爱，3D打印技术随着时间的推移将会被广大民众所接受。

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