3D打印技术及设备发展现状

赵延国，柳传鑫，许淙博，李文秋

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引 言

随着机床技术的进步，传统的工件加工，在进行复杂结构(比如：空心曲面腔)加工时，难以一次成型。但是，3D打印技术的面世，其区别于传统加工的减材制造，采用增材堆积技术，这一加工技术是基于现有3D建模技术，通过算法对模型进行分层切片，得出单层数字轮廓坐标及高度Z轴坐标，然后驱动打印部件逐层叠加，最终多层“薄片”叠加形成实体。虽然，现阶段3D打印技术的精度和加工速度，受到分层数量及单层精度的影响还不成熟，但是随着应用领域的广泛，3D打印技术发展迅速，笔者针对3D打印技术及设备发展情况及趋势进行简要介绍。

1 3D打印技术发展历程

3D打印技术虽然近年来日趋成熟，逐步得到认可，作为一种先进制造技术在部分领域被应用，尤其是计算机技术的发展极大的促进了这一技术的发展。

20世纪90年代初期，美国学者查克赫尔提出了光固化3D成型技术[1]，也称为立体光刻技术，三年后，第一台商业领域的同类3D打印机面世，同一年，其成立了3D systems公司。90年代末期，该公司其第一台产品SLA-250开始面向社会。同一时期，斯科特克鲁姆普提出了熔融沉积技术(FDM)，之后Stratasys公司成立。

20世纪90年代以后，3D打印技术快速发展，激光烧结技术(SLS)诞生，这其中麻省理工学院的学者在相关领域研究最为突出[2]。1996年，“3D打印机”的名称第一次被应用在产品上。

2000年以后，随着计算机技术的高速发展，数据处理量提升明显，3D打印在趋于稳定的同时得到新的发展。2005年，第一台彩色打印机产品由ZCorp公司研制成功。2008年，第一台开源3D打印机发布，2010年，3D打印机完成了首台汽车外部组件成型[3]，证实了3D打印的精度逐步达到工业化加工要求，3D打印逐步呈现“服务化”，之后，3D打印飞机、赛车、手枪等产品相继生产出来。

随着技术的日趋成熟，3D的打印的发展方向也日趋凸显，2012年，奥地利学者研制了高精度3D打印机，打印成功0.3mm赛车模型，3D打印设备的精度得到飞跃。同一年，苏格兰学者完成了第一例人造肝脏组织的3D打印[4]。2019年,3D打印骨组织、心脏等人体组织器官面世[5]。3D打印技术利用其高度定制化、低成本的特点是传统制造所不具备的，利用这一特色，3D打印技术在各个领域被应用和研究，也衍生出了多种3D打印方法。

2 3D打印技术及设备研究现状

2.1 3D打印技术特点

随着计算机技术的进步，也提出了多种基于不同成型原理和成型材料的打印方式，但本质来讲，3D打印技术始终是基于数字分层制造的原理。根据3D 打印所用材料的状态及成形方法,3D打印技术可分为熔融沉积成形 (FDM)、立体光固化成形(SLA)、数字光处理成型(DLP)、分层实体制造(LOM)、电子束选区熔化 (EBM)、激光选区熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔丝沉积成形(EBF)、石膏3D打印 (PP)等多种方法[6-8]其特点如表1所述。

表1 3D打印方法及优缺点

2.2 3D打印设备研究现状

基于不同的成型原理的3D打印技术也衍生出了不同3D打印设备，虽然，3D打印设备随着技术的进步，对于材料的适应性有所提升，但是3D打印设备的制造精度依旧无法达到和传统加工方式同一水平，所以，设备方面的研究也是3D打印技术的应用和研究的关键，笔者整理了近一两年的额3D打印设备方面的研究现状，其研究主要围绕提升精度、力学性能等方面，进行如下阐述。

算法方面的研究，3D打印的关键点通过算法处理得到模型的加工坐标，直接决定了加工精度和加工路径，间接影响了设备的寿命和精度。针对算法的研究逐步提升，北京工业大学王卓[9]在文中提出了一种模型的基于三角面片的切片算法和复合轨迹扫描算法，前者通过单次求解，提高交效率，并优化准确性，后者减少了送料电机的通断电次数，能有效提高设备寿命和效率。大连理工大学张文怀[10]提出了一种路径规划算法，通过根据3D打印机控制参数对路径规划进行优化和调整，提高3D打印的成品质量和成品率。河北工程大学魏效玲[11]等在文中提出了一种通过Z轴方向特征曲线优化模型外轮廓曲线，避免了STL文件的信息缺失，提高打印精度。四川大学韩兴国[12]等在文中提出了一种蚁群算法优化模型外形轮廓，提升打印精度和表面质量，同时提升效率。伊朗Urmia大学Mohammad Shirmohammadi[13]提出了一种基于神经网络的混合算法，通过提取作业参数，进行作业参数优化可提高打印零件表面质量。韩国釜山大学的Giao N. Pham[14]等人提出了一种插值四面体算法对3D模型进行优化加密，从而优化模型边缘，提高打印实体质量。乌克兰新莱昂州立大学学者I. Litvinchev[15]等人提出一种针对不规则三角形最小长提环绕算法，可应用在3D打印支撑材料设计，可有效控制节约支撑材料，控制制造成本。通过上述阐述不难看出，通过关键算法的提升，对于同等条件下的3D打印机精度和制件表面、效率等方面质量提高显著，但是这类研究在实际应用检验较少，对于多模型适配还有待进一步研究和改善。

关键零部件的优化及改进，3D打印机整体包括：平台系统、控制系统、作业系统等多个部件组成，关键零部件其直接影响3D打印机作业稳定和精度。国内外学者，多年来进行了大量硬件方面的优化和研究。兰州理工大学邓文强[16]等以熔融沉积型打印机的喷嘴为研究对象，采用熵值法和灰色关联法结合试验对喷嘴结构进行优化，大幅度讲了出料速度和温度误差，提高了打印尺寸精度。陕西理工大学任礼[17]等设计了一种可针对不同物料快速更换螺杆和料筒的新结构，并进行了基于Fluent流体分析，对喷头进行了结构优化，提高了打印机的运行的稳定性和安全性。华北理工大学张雪静[18]针对陶瓷3D打印机的模态进行了分析，确定打印机的作业震动对打印机喷头的流动影响较小，排出了打印精度的干扰因素。新疆大学帕提古丽·艾合麦提[19]针对喷头的加热组件进行仿真分析及优化，确定了最后结构，并试验验证与仿真结果一致，保证了配合间隙的合理性。广州大学的祁肖龙[20]针对激光熔融类3D打印机提的关键结构进行了拓扑结构优化，就提出了多种透镜保护装置，并进行了分析和优化选择。随着大量研究的应用，3D打印机的技术进展明显，汽车行业、航空航天、生物医疗等大量传统标准制造难以实现或成本过大的领域发展尤为迅速，随着3D打印的应用也将在更多的领域。

3 3D打印技术发展趋势

3D打印技术代表了一种不同于传统加工技术的加工方式，虽然国内外学者在近数十年进行了大量的研究和应用，但是在工业生产中，不难发现，使用远不如研究所进行的状况，这主要受到材料、设备、制件性能等多方面原因的限制，但是也指明了设备发展方向。

3.1 应用领域多样化

3D打印技术随着发展已经不局限于加工领域，近十年来，越来越多的领域引入3D打印技术研究和应用，2017～2020年，我国的3D打印规模增长速度高于全球增长的平均速度，预计2022年将达到360亿元[21]的规模，这将极大的促进3D打印技术的发展。笔者发现发展较为迅速的主要集中在以下几个领域：

(1) 汽车制造领域，汽车的研发周期一般在3年以上，显然这一周其，对于企业的市场竞争是不利的，3D打印技术则可以有效缩短这一周期，其中主要集中：模具类零件、多材料复合零件、轻量化零件以及小批量零件，这充分发挥了3D打印的技术特色和优势，宝马、布加迪汽车、大众等车企将部分零件通过3D打印进行制造[22]，包括：火花塞支座、汽车内饰、制动钳[23]等多种不同类别的零件；这对于汽车工业的发展起到极大的推动作用。

(2) 生物医学领域， 3D打印可以高度定制，而生物组织不同的生物个体是不一样的，3D打印能很好的满足这一需求。于是，在骨组织、心脏等器官领域得到了广泛认可[24]，目前主要集中一个方面的研究，其一为生物材料，这目前的3D打印器官或组组织缺乏可与人体组织相融合的活性因子，于是导致其能相容，而生物材料存在机械性能差的问题，所以为了满足这一需求，开发新的3D打印生物材料[25]是是一个难点；其二为微观结构打印，生物3D打印不仅仅需要提供宏观的器官构建，还需要组建模拟单细胞生长，涉及到微观结构，提高3D打印分辨率和组织构造研究是主要的研究方向；其三为复合生物材料打印，生物打印倒进已经可以完成心脏、肝脏等生物组织的原型打印，但是，这些组织或气管器官还应具备一定的创伤部位修复能力，同时避免排斥反应，需要植入同等位置细胞实现这一功能，需要多种生物材料复合打印营造其生长环境。3D打印技术在生物医学的应用，目前还处于初级阶段，在应用领域和技术上具备广阔的研究前景。

(3) 建筑领域，3D打印技术在建筑领域的应用不足10年，2013世界上的哥3D打印建筑在美国诞生，2014年我国的第一座3D打印建筑在上海诞生[26]，通过近几年的发展，3D打印建筑虽然得到了一定认可，但是在材料结构性能，建造质量检测标准两个方面存在一定的问题，未来，建筑的3D打印技术可以应用在非线性曲面、室内装饰、高强度建筑[27]几个方面具备广阔的应用环境。

除了上述领域，食品、航空航天、精密制造[28]等多个领域都在逐步探索，不难看出，虽然3D打印技术无论是设备还是材质都还存在的很多问题，但是，随着大量的研究开展，必将具备广阔的应用前景。

3.2 打印设备及材料专用化

如3.1所述，3D打印技术在各个领域开展大量研究的同时也暴露了设备和材料的不适应问题[29]，虽然经过多年发展，在材质上基本可分为塑料和金属两类，打印机也针对这两类材质进行开发了多种不同成型方式的3D打印机，但是，近年来在建筑和生物医疗领域[30]的应用，这两方面的问题就成为限制其发展的瓶颈，这也说明作为一种革命性先进制造技术，通用类3D打印机显然在很多领域难以达到使用要求，所以在设备和材质应更加专用化，提高3D打印制件的性能，满足不同应用场景和领域的需求。

3.3 3D打印技术标准化

3D打印技术应用领域的广阔，打印制件大可以是建筑，小可以试微观人体组织，但是作为制造技术，以金属3D打印为例[6]，本质是激光焊接，存在着裂纹、气孔等缺陷，显然这类缺陷存在是必然且随机的，保证制件的合格性，需要进行检测，但是目前无论是企标还是国标是缺乏相关标准，未来为了保证更高的规范性，必然需要统一的标准，对设备、材料、质量、安全等多个方面进行规范，这样才能保证3D打印技术健康发展。

4 结 语

3D打印技术作为未来的核心技术革命之一，在全世界社会大生产领域内势必将引发深刻的革命性意义，其可以实现传统工艺难以实现的结构加工更加简单，但是，必可避免其也存在局限，在笔者看来，当前，无论是设备还是材料都还存在大量需要攻关的问题，这些问题需要长期的技术积累和研究。“中国制造”在世界占据一席之地，但是高端制造我们与国外还存在差距，故而我国应高瞻远瞩，积极有效地应对好3D打印技术并使之为实中华民族的伟大复兴而服务。