3D打印主要成形工艺及其应用进展

辛艳喜，蔡高参，胡彪，符巨博

应用技术

3D打印主要成形工艺及其应用进展

辛艳喜，蔡高参，胡彪，符巨博

（浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018）

3D打印是以计算机图形数据为基础，通过逐层堆积的方式构建实体，具有高柔性制造以及对复杂零件自由快速成形的特点。从文献研究入手，重点介绍了光固化成形、熔融沉积制造、选区激光烧结、选区激光熔化、三维印刷成形、分层实体制造等典型3D打印工艺的成形原理以及研究进展，在此基础上着重概述了3D打印在生物医学、航空航天、建筑工程领域的应用。简要分析了当前3D打印技术发展中存在的一些问题并提出了一系列解决方案。3D打印技术的出现，给传统制造技术带来了革命性改变，其应用范围广泛，未来一定会融入到人们生活的方方面面。

3D打印；快速原型制造；实体自由制造；增材制造

3D打印，又称增材制造，是20世纪80年代中期发展起来的一种高新技术。该技术集CAD、数控、材料、电子、激光等技术于一体，实现了原型设计到原型制作的一体化进程。3D打印成形系统由CAD模型直接驱动，能将产品三维模型直接制成实体零件而不必设计制造模具、夹具，成形过程无人干预或较少干预，因此制造周期大幅缩短，能借电铸、电弧喷涂技术进一步由塑胶件制成金属模具或者能将快速获得的塑胶件当作易熔铸模进一步浇铸金属制件或制造砂型，能根据CAE的结果制成三维实体作为实验模型以评判仿真分析的正确性。近年来3D打印技术得到了越来越多的关注。

1 3D打印技术的基本原理

3D打印技术基于“离散/堆积成形”思想，其一般步骤为：首先设计出所要打印产品的三维模型；然后根据工艺要求按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的二维单元；根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数并自动生成数控代码；由成形系统接受控制指令将一系列层片自动打印成形并逐层堆叠最终得到三维实体[1—2]。3D打印技术原理如图1所示。

图1 3D打印技术原理[2]

2 主要成形工艺

3D打印技术按照成形工艺可分为两大类：一类是基于激光或高能量密度热源的成形技术，包括光固化成形（Stereo lithography appearance，SLA）、分层实体制造（Laminated object manufacturing，LOM）、选区激光烧结（Selected laser sintering，SLS）、选区激光熔化（Selected laser melting，SLM）等。另一类是基于喷射的成形技术，包括熔融沉积制造（Fused deposition modeling，FDM）、三维印刷成形（Three-dimensional printing，3DP）等[2]。

2.1 分层实体制造

供料机构将涂有热熔胶的薄层材料一段段地送至工作台的上方，切割系统按照计算机提供的当前截面轮廓信息对其进行切割，热压机则将裁出的片层材料压紧粘合。可升降台支撑正在成形的工件，并在每层成形之后降低一个薄层厚度以便送进、切割、粘合新的薄层，最后形成由废料块包围的三维实体，将多余的废料小块剔除最终获得打印件[2—3]。其原理如图2所示。

LOM技术的关键是控制激光的强度和切割速度，使它们达到最佳配合，以便保证良好的切割深度和切口质量[4]。LOM成形速度快，加工时刀具沿轮廓进行切割而无需扫描整个断面。在切割成形时原材料只有薄薄的一层胶发生作用，因此形成的制品变形小且无内应力[5]。LOM在产品概念设计可视化、造型设计评估、熔模制造型芯、直接制模等方面得到了广泛应用[6]，但是，分层实体制造的过程存在着减材行为，因此被认为是从传统减材制造向增材制造的过渡技术。

图2 分层实体制造技术原理[2]

2.2 光固化成形

以光敏树脂为原料，在计算机控制下紫外激光束按各分层截面的轨迹信息进行逐点扫描，被扫描区内的树脂因聚合反应而固化形成制件的一个薄层截面。每一层固化完成后工作台下移一个层厚的距离，并在之前固化的树脂表面铺上一层新的光敏树脂以便进行循环扫描和固化，直到完成零件的制作[7—9]。SLA技术原理如图3所示。

图3 光固化成形技术原理[2]

光固化成形过程自动化程度高、制件原型表面质量好、成形尺寸精度高，使其在概念设计、产品模型、快速工模具等诸多领域得到了广泛应用[10]。

2.3 熔融沉积成形

丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部的微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6 mm）在计算机的控制下依据模型数据移动到指定位置将熔丝挤出，被挤出的熔融物沉积在前一层已固化的表面，通过逐层堆积最终形成三维实体[11]。FDM技术原理如图4所示。

FDM成形系统结构简单，易于操作，是面向个人级3D打印机的首选。通过该技术设计人员可以在很短的时间内设计并制作出产品原型，并通过实体对产品进行改进。该技术的应用领域包括概念建模及功能性原型制作等，涉及电子、医学、建筑工程等领域[12]。

图4 熔融沉积成形技术原理[2]

2.4 选区激光烧结

选区激光烧结技术（Selected laser sintering，SLS）结合了铺粉技术与激光烧结原理，采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，以逐层堆积的方式成形三维零件。理论上任何加热后能够形成原子间粘结的粉状材料都可以作为选区激光烧结的成形材料[13]。SLS技术原理如图5所示。

图5 选区激光烧结技术原理[14]

SLS技术的成形材料广泛，能成形任意复杂形状的结构件且无需设计支撑，成形材料利用率高[15—16]。但是，激光烧结的加工方式使得在成形过程中不能完全熔化金属粉末底物，因此制件的致密度低[17]。此外，凝固组织内部缺陷质量控制要求高，晶粒尺寸、晶粒形态、晶体取向的控制需要长期探索[18—19]。目前，该技术常用在新产品的研发中制造模型件。

2.5 选区激光熔化

选区激光熔化技术（Selected laser melting，SLM）源于选区激光烧结成形思想并在其基础上得以发展，它既克服了传统技术制造金属零部件的复杂工艺难题，又相对解决了选区激光烧结成形件致密度低的问题，是一种可以得到高致密度金属零件的增材制造工艺[20—21]。选区激光熔化技术原理如图6所示。

图6 选区激光熔化技术原理[2]

选区激光熔化技术采用精细聚焦光斑能快速熔化300～500目的预置粉末，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能部件，致密度近乎100%[22]，制件尺寸精度可达20～50 μm，表面粗糙度可达20～30 μm[23]。在航空航天、模具制造等领域得到了广泛应用。

2.6 三维印刷成形

三维印刷成形（Three-dimensional printing，3DP）工艺原理类似于喷墨打印，是形式上最为贴合3D打印概念的成形技术[24]。3DP工艺与SLS工艺类似，都是打印粉状材料，不同之处在于3DP技术使用的粉末是通过微细喷头喷射的粘合剂粘结成形[25]。3DP工艺成形速度快，成形材料广泛，适合做桌面型的快速成形设备。在粘接剂中添加颜料以制作彩色原型是该工艺最具竞争力的特点之一[26]。3DP成形工艺非常适合于制作有限元分析模型和多部件装配体。值得注意的是，用粘接剂粘结制作的原型件强度较低，后续需要做进一步的强化处理[27]。3DP工艺原理如图7所示。

图7 三维印刷工艺原理[2]

3 3D打印技术的研究进展

3.1 分层实体制造技术的研究进展

分层制造三维物体的思想最早出现在19世纪的美国，1892年，J. E. Blanther首次在专利中提出用分层制造的方法制作地形图。1976年，Paul L. Dimatteo提出利用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，再利用激光切割薄片成形，最后用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体。1979年，日本东京大学的Nakagawa教授开始利用分层实体制造技术制作落料模、注塑模、压力机成形模等实际的模具。Michael Feygin于1984年提出了分层实体制造的方法，并于1985年组建了Helisys公司，1990年开发出了世界上第1台商用设备LOM-1015。Helisys公司研制出多种可用于分层实体制造工艺用的成形材料，该公司还与Dayton大学合作开发出基于陶瓷复合材料的LOM工艺；苏格兰Dundee大学使用二氧化碳激光器切割薄钢材，使用焊料或粘接剂制作成形；日本Kira公司PLT2A4成形机采用超硬质刀具切割和选择性粘结的方法制作成形件；澳大利亚Swinburne大学开发了用于LOM工艺的金属和塑料复合材料[2]。

国际上除Helisys公司外，日本的Kira公司、瑞典的Sparx公司以及新加坡的Kinergy光控精技有限公司和我国清华大学、华中科技大学以及南京紫金立德电子有限公司等也先后从事LOM工艺的研究与设备的制造[2]。

3.2 光固化成形技术的研究进展

Charles W. Hull于1986年首次提出光固化成形技术并申请了专利，1988年诞生了第一个商用光固化快速成形系统SLA-1，随后Hull创立了3D Systems公司并开发了光固化成形技术的商业应用，许多关于快速成形的概念和技术在3D Systems公司中得以发展成熟。

目前研究光固化成形技术的有美国的3D Systems公司、德国的EOS公司、日本的C-MET公司等，国内有西安交通大学、清华大学、华中科技大学等研究机构以及北京隆源自动成形系统有限公司、陕西恒通智能机器有限公司、杭州先临三维科技股份有限公司等企业。其中3D Systems公司作为该技术的开拓者，是全世界最大的快速成形机制造商，该公司在提高光固化成形技术的制件精度及激光诱导光敏树脂聚合等方面做了深入的研究，并提出了一系列有效的解决方法[2]。

光固化快速成形技术已经成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。随着该技术的不断发展，又出现了以光固化为基础的数字投影成形（DLP）技术和喷射（PolyJet）技术[2]。

DLP是与SLA基本同时提出的光固化快速成形技术，但是由于掩膜生成工艺的制约，该技术的发展明显滞后于扫描式快速成形技术。随着近年来微型光学元件技术的进步，面曝光快速成形技术得到了发展。基于面曝光成形技术，2015年，美国北卡罗来纳大学的工程师发明了“连续液体界面生产”（CLIP）技术，使光固化3D打印的速度提高了近百倍[28—33]。2019年末，Mirkin团队开发了“高面积快速打印”（HARP）技术，实现了大尺寸物体的快速成形[29,34]。

PolyJet是全球首例可以实现不同模型材料同时喷射的技术。PolyJet拥有全球最先进的三维打印系统，可以在单个建造工作中打印由不同机械和物理特性材料组成的零部件，其工作原理是通过控制每个打印头上的喷嘴，根据方位和模型类型从指定的喷嘴喷射设置好的模型材料，从而使用户可以选择和构建出最合适、最贴近设计目标的材料。该技术将引领3D打印技术发展的新方向[2]。

3.3 熔融沉积成形技术的研究进展

Scott Crump于1988年首先提出了熔融沉积成形思想并成立了Stratasys公司。自1993年以来Stratasys公司先后推出了FDM1650，FDM2000，FDM3000和FDM8000等机型，特别是FDM-Quantum机型，采用挤出头磁浮定位系统，可同时独立控制两个喷头，其中一个喷头用于填充成形材料，另一个喷头用于填充支撑材料，其造型速度为过去的5倍。目前，Stratasys公司的Mojo，Dimension，uPrint，Fortus等多个产品均采用FDM为核心技术[2]。

近年来，桌面级FDM成形设备发展迅猛。最具代表性的桌面级FDM品牌有MakerBot公司的MakerBot Replicator系列、3D Systems公司的Cube系列、北京太尔时代科技有限公司的UP系列以及杭州先临三维科技股份有限公司的Einstart系列等[2]。

3.4 选区激光烧结技术的研究进展

选区激光烧结快速成形思想是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Dechard于1986年首次提出，随后德克萨斯大学于1988年成功研制了第1台SLS成形机并取得了这一技术的发明专利，1992年授权DTM公司将SLS系统商业化，随后推出了Sinterstation 2000系列商品化成形机。在选区激光烧结成形技术的研究方面，DTM公司拥有多项专利，无论是在成形设备还是在成形材料方面均处于领先地位，该公司于2001年被3D Systems公司收购，因此，3D Systems公司拥有较为先进的SLS技术[2]。

另一家在SLS技术方面占有重要地位的是德国EOS公司。该公司推出了3个系列的SLS成形机，其中EOSINT P用于烧结热塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模铸造和真空铸造的原型；EOSINT M用于金属粉末的直接烧结，制造金属模具和金属零件；EOSINT S用于直接烧结树脂砂，制造复杂的铸造砂型和砂芯[2]。

我国从1994年开始选区激光烧结技术的研究并取得了一定的成果。北京隆源自动成形系统有限公司于1995年成功研制了第1台国产化AFS激光快速成形机，随后华中科技大学研制出HRPS系列的SLS设备，这两家单位的SLS成形设备均已产业化。此外，南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学、湖南华曙高科技有限公司等单位也在研究选区激光烧结技术[2]。

3.5 选区激光熔化技术的研究进展

选区激光熔化技术思想源于SLS技术并在其基础上得以发展。得益于计算机的发展及激光器制造技术的逐渐成熟，德国Fraunhofer激光技术研究所最早深入地探索了激光完全熔化金属粉末的成形，并于1995年首次提出了SLM技术。在其技术支持下，德国EOS公司于1995年底制造了第1台SLM成形设备。随后，英国、德国、美国等欧美国家的众多公司开始相关研究[2]。

SLM设备的研发涉及光学（激光）、机械、自动化控制及材料等一系列专业知识，目前欧美等发达国家在SLM设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位。英国MCP公司自推出第1台SLM-50设备之后又相继推出了SLM-100以及第3代SLM-250设备。德国EOS Gmbh公司现在已经成为全球最大、同时也是技术最领先的选区激光熔化系统的制造商。EOS公司开发的EOSINT M280增材制造设备采用了“纤维激光”系统，可形成更加精细的激光聚焦点以及很高的激光能量，可以将金属粉末直接烧结而得到最终产品，大大提高了生产效率。美国3D Systems公司推出了sPro系列SLM 250商用3D打印机，使用高功率激光器，根据CAD数据逐层熔化金属粉末以创建功能性金属部件，该3D打印机能够提供长达320 mm的工艺金属零件的成形，所得制件具有出色的表面粗糙度、精细的功能性细节与严格的公差。除了以上几大公司进行SLM设备商业化生产外，国外还有很多高校和科研机构进行SLM设备的自主研发，如比利时的鲁汶大学、日本的大阪大学等[2]。

国内SLM设备研发工作与国外相比起步较晚，设备稳定性方面稍显落后，但整体性能相当，主要研究单位有华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学等。

3.6 三维印刷成形技术的研究进展

1989年，美国麻省理工学院的Emanual Sachs申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。1992年，Emanual Sachs利用平面打印机喷墨的原理成功喷射出具有粘性的溶液，再根据三维打印的思想以粉末为打印材料，最终获得三维实体模型。1993年，Emanual Sachs的团队开发出基于喷墨技术与3D打印成形工艺的3D打印机[2]。

3DP技术自出现以来，得到了国内外的广泛关注，在三维印刷成形零件的性能、打印材料、粘接剂和设备方面均有大量研究。Crau等打印出粉浆浇注的氧化铝陶瓷模具，与传统烧制而成的陶瓷模具相比，3DP工艺制作出来的强度更高，耗时更短。Lam等用淀粉基聚合物作原料，以水为粘接剂，打印出一个支架。Lee打印出三维石膏模具，其孔隙均匀，连通性好。Moon发现粘接剂的相对分子质量需小于15 000，且研究了粘接剂和材料对成形参数的影响，使三维打印模型的应用领域有了很大扩展。美国加州大学OrmeM开发的3DP设备样机可应用于印刷电路板、电子封装等半导体产业[2]。

国内学者也很关注基于喷射技术的三维印刷成形工艺，并在有些方向取得了一定的研究成果。西安交通大学卢秉恒等[35]研制出一种基于压电喷射机理的三维印刷成形机喷头。清华大学颜永年等[36]以纳米磷灰石胶原复合材料和复合骨生长因子作为成形材料，采用液滴喷射成形的方式制造出多孔、非均质的细胞载体支架结构。苏州锐发打印技术有限公司研制的热发泡喷头，最小喷射墨滴为4 pL（1 pL=10−15m3），具有1200 dpi的分辨率。

4 3D打印技术的应用

4.1 3D打印技术在医学领域的应用

在高速发展的医学领域，3D打印技术正发挥着显著作用。生物3D打印是生命科学与现代制造技术交叉的新兴技术，它是将3D打印技术应用于生物医学领域，利用特殊材料来制造具有生物活性的人工器官植入物或细胞的三维结构[37]。3D打印技术在医学领域的应用分为4个层次[38]。

第1层次的应用主要用于制作术前诊断模型及体外医疗器械，这是3D打印技术在医学领域最初始的应用[39—40]。通过计算机辅助3D打印技术制造的器官模型让医生在术前就能对复杂解剖结构有更充分的认识和模拟演练的机会，使医生在术中操作更为精准安全[41]。1992年，Stoker等[39]首次将SLA技术制件用于颅颌面外科手术的术前模拟，开创了3D打印技术在医学领域应用的先河。

第2层次是使用钛、钽等惰性金属材料打印不可降解的人体植入物，这些材料具有优异的生物相容性、耐蚀性、高强度等优点[42—43]。2012年2月10日，比利时哈塞尔特大学成功地为一名患者植入了3D打印的下颌骨，这是世界上首次完全使用定制植入物代替整个下颚的案例。

第3层次是采用可降解的生物相容材料制造仿生组织工程支架。这种结构具有密布的大小孔，大孔有利于细胞长入和准确再生，小孔可增加材料中的营养通道。通过提取人体的一些细胞在多孔的结构上进行复合培养，待细胞长到一定程度后植入人体，一段时间后支架材料会慢慢降解并排出体外，最终让位于细胞和组织。医学上通常采用这种方法来修复人体受损组织。

第4层次的应用是3D打印技术在医学领域的最新研究方向，着眼于直接打印活性细胞等有机物。对于那些需要器官移植的患者来说，3D打印技术无疑是他们的福音。一方面我们无需担心不同机体器官之间的排异反应，另一方面，相较于人体器官，3D打印成本更低，例如打印一个人体心脏瓣膜只需要10美元的高分子材料即可。

图8为一个由水凝胶3D打印而成、模拟肺功能的气囊。这一打印的“血管结构”具有足够的强度，不会因为血液流动而破裂。此外，它也能承受对吸气和呼气的模拟[14]。

图8 具有肺功能的3D打印气囊[14]

4.2 3D打印技术在航空航天领域的应用

航空航天技术是国防实力的象征，也是国家政治的体现形式，各国都试图以更快的速度研制出新型武器装备以使自己在国防领域处于不败之地。20世纪研发新一代战机至少需要10～20年的时间，由于3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，所以如果借助3D打印技术，只需3年左右的时间就能研制出新一代战机，加之该技术的高柔性制造特点以及对复杂零件的自由快速成形，金属3D打印将在航空航天领域大放异彩[44—45]。

近年来，国内外企业与研究机构利用3D打印技术，不仅制造了飞机、导弹、卫星、载人飞船的零部件，还制造出了发动机、无人机、微卫星整机等零部件。

北京航空航天大学王华明教授完成了直径550 mm的镍基高温合金发动机涡轮盘样件的制作，该机叶片在900 ℃环境下的疲劳强度比第二代单晶高出40%。2018年我国发射的嫦娥四号中继卫星搭载了多个采用增材制造技术研制的复杂形状铝合金构件。此外，我国第1款本土商用飞机C919、第1款舰载战斗机歼-15、多用途战略轰炸机歼-16、第5代隐形战斗机歼-20、歼-31等均使用了3D打印技术。

图9为美国Relativity Space公司制造的一种几乎全3D打印的火箭。该火箭旨在将1250 kg的重物送入低地球轨道，计划2021年首次试射[46]。

图9 3D打印火箭[46]

4.3 3D打印技术在建筑工程领域的应用

3D打印建筑的理念是在2012年3D打印展上提出的。3D打印建筑是应用计算机软件设计出立体的制作模型，然后通过特定的成形设备（即3D打印机）用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层叠加打印出设计图所绘制的建筑实体[14]。

目前，3D打印在建筑装饰领域的应用已经比较成熟，个性化的3D打印装饰部件已经成功应用于水立方、上海世博会大会堂、国家大剧院等上千个建筑项目。

3D打印技术在建筑实体领域的应用还处于探索和快速发展阶段，真正进入商业化的案例很少，但是也产生了很多重要的验证实体建筑，如莫比乌斯环屋（风景屋，见图10）、月球基地、荷兰“运河屋”等[14]。

除了3D打印实体建筑，3D打印技术还可以应用于建筑领域的设计，通过3D打印出的建筑模型可以将建筑师的设想和草图真实地表现出来，从而更好地向客户展示设计师的设计理念。3D打印模型是建筑创意实现可视化与无障碍沟通的最好方法。

图10 莫比乌斯环屋[14]

5 当前3D打印技术发展存在的问题

当前3D打印技术的发展尚不成熟，主要面临以下几个方面的问题[47]。

1）设计工具需要进一步优化。要开发出易于操作的设计工具用于产品设计，对于功能部件制造，需要新的工具来优化形状和材料性能。

2）可供打印的材料范围需要持续拓宽。目前可用的打印材料不多，未来仍需开发更多的材料，并深入研究材料的加工、结构、属性之间的关系，明确材料的优点及局限性，并提供规范性标准。

3）生产过程需要加强工艺控制。为了提高生产过程的连贯性、重复性和统一性，需要建立相应的3D打印装备认证标准，并对生产过程进行内部监控和闭环反馈；为了更好地预测材料性能和零部件功能特性，需要建立预测性模型并通过调整设计达到预期效果。

4）3D打印产业的发展需要加强必要的监管。应防止不法分子私自下载枪支设计软件并借助3D打印技术随意制造枪械，应避免3D打印技术用于人体器官的非法制作等违法行为和伦理道德问题。

总之，3D打印技术的发展初期要靠国家相关部门来统筹布局合理安排，在有技术、有人才资源、有市场基础的地方先行先试，根据效果进行推广，在示范的过程中制定相关行业标准积累发展经验。

6 3D打印技术的发展前景

3D打印技术兴起于20世纪八九十年代，发展于21世纪初，在2012年已悄然成为科技界研究热点。英国著名经济学杂志《经济学人》的报道认为3D打印将与其他数字化生产模式共同推动实现新技术的发展。美国《时代》周刊已将3D打印制造列为美国十大增长最快的产业之一。

我国正处于从“中国制造”向“中国创造”迈进的重要时期，与传统制造技术相比，3D打印技术能够让设计师在很大程度上从制造工艺及装备的约束中解放出来，更多关注产品的创意创新、功能性能。

3D打印技术对于增强我国制造业自主创新能力具有重要意义。为此，我国采取了多项政策来推进3D打印技术的发展，2017年，我国制定了《新一代人工智能发展规划》与《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020年）》，力求经过3D打印等前沿技术来鞭策相关产业实现智能化升级，并让人工智能和制造业进行深度融合。

3D打印正在如火如荼的发展，我们也正经历着增材制造给我们生活带来的变革。3D打印势必会对传统的制造技术带来革命性改变，也必定会成为新时代的标杆。

[1] MERTZ L, LIPSON H. New World of 3-D Printing Offers "Completely New Ways of Thinking"[J]. IEEE PULSE, 2013, 4(6): 12—14.

[2] 吴国庆. 3D打印成型工艺及材料[M]. 北京: 高等教育出版社, 2018: 4—143.

WU Guo-qing. 3D Printing Technology and Materials[M]. Beijing: Higher Education Press, 2018: 4—143.

[3] 张蓉, 谭彬. 叠层实体原型件的误差分析及改进措施[J]. 电加工与模具, 2006(2): 38—40.

ZHANG Rong, TAN Bin. Error Analysis and Improvement Measures of Laminated Object Manufacturing[J]. Electrical Machining and Die, 2006(2): 38—40.

[4] 颜永年, 张伟, 卢清萍, 等. 离散/堆积成形技术的发展[J]. 四川兵工学报, 1995(1): 2—5.

YAN Yong-nian, ZHANG Wei, LU Qing-ping, et al. Development of Discrete/Stacked Forming Technology[J]. Journal of Sichuan Ordnance Industry, 1995(1): 2—5.

[5] 薛文彬, 袁丹. 薄材叠层制造(LOM)型快速成型机在小型零件加工中的运用[J]. 电子制作, 2013(19): 51.

XUE Wen-bin, YUAN Dan. Application of LOM Rapid Prototyping Machine in Small Parts Processing[J]. Electronic Manufacturing, 2013(19): 51.

[6] 郑东果. 关于分层实体制造技术的研究状况报告[J]. 湖南农机, 2013, 40(9): 90—91.

ZHENG Dong-guo. Research Status Report on Laminated Object Manufacturing Technology[J]. Hunan Agricultural Machinery, 2013, 40(9): 90—91.

[7] QUAN H Y, ZHANG T, XU H, et al. Photo-curing 3D Printing Technique and Its Challenges[J]. Bioactive Materials, 2020, 5(1): 110—115.

[8] WU J T, ZHAO Z, HAMEL C M, et al. Evolution of Material Properties during Free Radical Photopolymerization[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2018, 112: 25—49.

[9] SANO Y, MATSUZAKI R, UEDA M, et al. 3D Printing of Discontinuous and Continuous Fibre Composites Using Stereolithography[J]. Additive Manufacturing, 2018, 24: 521—527.

[10] 裘芸寧, 胡可辉, 吕志刚. 基于光固化增材制造技术的陶瓷成形方法[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 117—121.

QIU Yun-ning, HU Ke-hui, LYU Zhi-gang. Ceramic Forming Method Based on Stereo Lithography Appearance[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(5): 117—121.

[11] DUDEK P. FDM 3D Printing Technology in Manufacturing Composite Elements[J]. Archives of Metallurgy and Materials, 2013, 58(4): 1415—1418.

[12] TONG K, TOSHI S, LEHTIHET E A. Error Compensation for Fused Deposition Modeling(FDM) Machine by Correcting Slice Files[J]. Rapid Prototyping Journal, 2008, 14(1): 4—14.

[13] 史玉升, 闫春泽, 魏青松, 等. 选择性激光烧结3D打印用高分子复合材料[J]. 中国科学: 信息科学, 2015, 45(2): 204—211.

SHI Yu-sheng, YAN Chun-ze, WEI Qing-song, et al. Polymer Composites for Selective Laser Sintering 3D Printing[J]. Chinese Science: Information Science, 2015, 45(2): 204—211.

[14] 王迪, 杨永强. 3D打印技术与应用[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2020: 95—210. WANG Di, YANG Yong-qiang. 3D Printing Technology and Application[M]. Guangzhou: South China University of Technology Press, 2020: 95—210.

[15] 甘鑫鹏, 王金志, 费国霞, 等. 选择性激光烧3D打印粉体材料研究进展[J]. 化工新型材料, 2020, 48(8): 27—31.

GAN Xin-peng, WANG Jin-zhi, FEI Guo-xia, et al. Research Progress of Selective Laser Sintering 3D Printing Powder Materials[J]. New Chemical Materials, 2020, 48(8): 27—31.

[16] 晏梦雪, 田小永, 李涤尘. 高性能聚芳醚酮及其复合材料粉末床熔融成形的现状与挑战[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 64—72.

YAN Meng-xue, TIAN Xiao-yong, LI Di-chen. Present Situation and Challenges of Powder Bed Melting Forming of High Performance Polyetherketoneketone and Its Composites[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 64—72.

[17] 周万琳, 李美华. 选择性激光烧结3D打印钛合金种植体的制备[J]. 哈尔滨医科大学学报, 2019, 53(6): 593—597.

ZHOU Wan-lin, LI Mei-hua. Preparation of 3D Printing Titanium Alloy Implant by Selective Laser Sintering[J]. Journal of Harbin Medical University, 2019, 53(6): 593—597.

[18] 胡仁志, 母中彦, 黄安国, 等. 激光熔丝增材过程传热流动行为数值模拟[J]. 精密成形工程, 2021, 13(2): 74—80.

HU Ren-zhi, MU Zhong-yan, HUANG An-guo, et al. Numerical Simulation of Heat Transfer and Flow Behavior in Laser Melting Additive Process[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(2): 74—80.

[19] 闵捷, 温东旭, 岳天宇, 等. 增材制造技术在高温合金零部件成形中的应用[J]. 精密成形工程, 2021, 13(1): 44—50.

MIN Jie, WEN Dong-xu, YUE Tian-yu, et al. Application of Additive Manufacturing Technology in Forming of Superalloy Parts[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(1): 44—50.

[20] 汤海波, 吴宇, 张述泉, 等. 高性能大型金属构件激光增材制造技术研究现状与发展趋势[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 58—63.

TANG Hai-bo, WU Yu, ZHANG Shu-quan, et al. Research Status and Development Trend of Laser Additive Manufacturing Technology for High Performance Large Metal Components[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 58—63.

[21] 王泽敏, 黄文普, 曾晓雁. 激光选区熔化成形装备的发展现状与趋势[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 21—28.

WANG Ze-min, HUANG Wen-pu, ZENG Xiao-yan. Development Status and Trend of Laser Selective Melting Forming Equipment[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 21—28.

[22] ABE F, SANTOS E C, KITAMURA Y, et al. Influence of Forming Conditions on the Titanium Model in Rapid Prototyping with the Selective Laser Melting Process[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2003, 217(1): 119—126.

[23] 杨永强, 陈杰, 宋长辉, 等. 金属零件激光选区熔化技术的现状及进展[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(1): 9—21.

YANG Yong-qiang, CHEN Jie, SONG Chang-hui, et al. Status and Progress of Selective Laser Melting Technology for Metal Parts[J]. Progress in Laser and Optoelectronics, 2018, 55(1): 9—21.

[24] 张迪湦, 杨建明, 黄大志, 等. 3DP法三维打印技术的发展与研究现状[J]. 制造技术与机床, 2017(3): 38—43.

ZHANG Di-nie, YANG Jian-ming, HUANG Da-zhi, et al. Development and Research Status of Three-Dimensional Printing Technology with 3DP Method[J]. Manufacturing Technology and Machine Tools, 2017(3): 38—43.

[25] TARNITA D, BERCEANU C, TARNITA C. The Three- Dimensional Printing-a Modern Technology Used for Biomedical Prototypes[J]. Materiale Plastice, 2010, 47(3): 328—334.

[26] MICK P T, ARNOLDNER C, MAINPRIZE J G, et al. Face Validity Study of an Artificial Temporal Bone for Simulation Surgery[J]. Otology & Neurotology, 2013, 34(7): 1305—1310.

[27] YANG S, EVANS J R G. Metering and Dispensing of Powder; the Quest for New Solid Freeforming Techniques[J]. Powder Technology, 2007, 178(1): 56—72.

[28] TUMBLESTON J R, SHIRVANYANTS D, ERMOSHKIN N, et al. Continuous Liquid Interface Production of 3D Objects[J]. Science, 2015, 347(6228): 1349—1352.

[29] PALMER C. 3D Printing Advances on Multiple Fronts [J]. Engineering, 2020, 6(6): 590—592.

[30] 宗学文, 张佳亮, 周升栋, 等. 高速高精光固化增材制造技术前沿进展[J]. 西安科技大学学报, 2021, 41(1): 128—138.

ZONG Xue-wen, ZHANG Jia-liang, ZHOU Sheng-dong, et al. Frontier Development of High Speed and High Precision Stereo Lithography Appearance Technology[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 2021, 41(1): 128—138.

[31] MCGREGOR D J, TAWFICK S, KING W P. Mechanical Properties of Hexagonal Lattice Structures Fabricated Using Continuous Liquid Interface Production Additive Manufacturing[J]. Additive Manufacturing, 2019, 25: 10—18.

[32] CAUDILL C L, PERRY J L, TIAN S M, et al. Spatially Controlled Coating of Continuous Liquid Interface Production Microneedles for Transdermal Protein Delivery[J]. Journal of Controlled Release, 2018, 284: 122—132.

[33] HU R, HUANG B X, XUE Z H, et al. Synthesis of Photocurable Cellulose Acetate Butyrate Resin for Continuous Liquid Interface Production of Three-Dimensional Objects with Excellent Mechanical and Chemical-Resistant Properties[J]. Carbohydrate Polymers, 2019, 207: 609—618.

[34] WALKER D A, HEDRICK J L, MIRKIN C A. Rapid, Large-Volume, Thermally Controlled 3D Printing Using a Mobile Liquid Interface[J]. Science, 2019, 366(6463): 360—364.

[35] 吴森洋. 微液滴喷射成形的压电式喷头研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013: 10—11.

WU Sen-yang. Research on Piezoelectric Nozzle for Micro Droplet Spray Forming[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013: 10—11.

[36] 张人佶, 王笠, 熊卓, 等. 聚乳酸/钙磷盐/胶原骨组织工程支架混杂结构的研究[J]. 山东生物医学工程, 2002(3): 1—4.

ZHANG Ren-ji, WANG Li, XIONG Zhuo, et al. Study on Hybrid Structure of Polylactic Acid/Calcium Phosphate/Collagen Scaffold for Bone Tissue Engineering[J]. Shandong Biomedical Engineering, 2002(3): 1—4.

[37] 徐弢. 3D打印技术在生物医学领域的应用[J]. 中华神经创伤外科电子杂志, 2015, 1(1): 57—58.

XU Tao. Application of 3D Printing Technology in Biomedical Field[J]. Chinese Journal of Neurotraumatic Surgery, 2015, 1(1): 57—58.

[38] 林峰. 生物3D打印技术的四个层次[J]. 信息技术时代, 2013(6): 46—49.

LIN Feng. Four Levels of Biological 3D Printing Technology[J]. Information Technology Era, 2013(6): 46—49.

[39] STOKER N G, MANKOVICH N J, VALENTINO D. Stereolithographic Models for Surgical Planning: Preliminary Report[J]. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery: Official Journal of the American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons, 1992, 50(5): 466— 471.

[40] 蔡军杰, 魏晓慧, 林松, 等. 3D打印技术在生物医学领域的应用及展望[J]. 医疗卫生装备, 2021, 42(1): 91—96.

CAI Jun-jie, WEI Xiao-hui, LIN Song, et al. Application and Prospect of 3D Printing Technology in Biomedical Field[J]. Medical and Health Equipment, 2021, 42(1): 91—96.

[41] ZHANG C G, CAO J, ZHU H L, et al. Endoscopic Treatment of Symptomatic Foot and Ankle Bone Cyst with 3D Printing Application[J]. Biomed Research International, 2020, 2020: 1—10.

[42] 石晓岫, 吴先哲, 马幸双, 等. 钽材的医学应用及生物相容性机制[J]. 功能材料, 2019, 50(12): 12001— 12006.

SHI Xiao-xiu, WU Xian-zhe, MA Xing-shuang, et al. Medical Application and Biocompatibility Mechanism of Tantalum[J]. Functional Materials, 2019, 50(12): 12001—12006.

[43] 梁莉, 陈伟, 乔先鹏, 等. 钴基高温合金增材制造研究现状及展望[J]. 精密成形工程, 2018, 10(5): 102—106.

LIANG Li, CHEN Wei, QIAO Xian-peng, et al. Research Status and Prospect of Additive Manufacturing of Cobalt Based Superalloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(5): 102—106.

[44] 薛芳, 韩潇, 孙东华. 3D打印技术在航天复合材料制造中的应用[J]. 航天返回与遥感, 2015, 36(2): 77—82.

XUE Fang, HAN Xiao, SUN Dong-hua. Application of 3D Printing Technology in Aerospace Composite Material Manufacturing[J]. Aerospace Return and Remote Sensing, 2015, 36(2): 77—82.

[45] 杨佳文. 3D打印技术在航天领域的应用[J]. 国际太空, 2015(9): 50—55.

YANG Jia-wen. Application of 3D Printing Technology in Aerospace Field[J]. International Space, 2015(9): 50—55.

[46] ZASTROW M. The New 3D Printing[J]. Nature, 2020, 578(7793): 20—23.

[47] 周廉. 中国3D打印材料及应用发展战略研究[M]. 北京: 化学工业出版社, 2020: 5—368.

ZHOU Lian. Consultation Report on Development & Strategy of 3D Printing Materials and Its Applications in China[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2020: 5—368.

Recent Development of Main Process Types of 3D Printing Technology and Application

XIN Yan-xi, CAI Gao-shen, HU Biao, FU Ju-bo

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Based on computer graphics data, 3D printing builds objects by stacking layer by layer. It is featured with high flexibility manufacturing and free rapid formation of complex parts. Starting with literature research, the forming principle and research progress of typical 3D printing processes such as stereo lithography appearance, fused deposition modeling, selected laser sintering, selected laser melting, three-dimensional printing and laminated object manufacturing. On this basis, the application of 3D printing in biomedicine, aerospace and construction engineering were mainly introduced. Some problems existing in the development of 3D printing technology were briefly analyzed. And a series of solutions were put forward. The emergence of 3D printing technology brings revolutionary changes to the traditional manufacturing technology. It has a wide range of applications and will be integrated into all aspects of people's life in the future.

3D printing; rapid prototyping manufacturing; free-form fabrication of object; additive manufacturing

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.022

TP391.73

A

1674-6457(2021)06-0156-09

2021-03-29

中国博士后基金（2018M642482）；浙江省自然科学基金（LQ18E050010）

辛艳喜（1993—），男，硕士生，主要研究方向为金属材料的增材制造。

蔡高参（1985—），男，博士，特聘副教授，硕士生导师，主要研究方向为充液成形、增材制造。