3D打印在智能化时代中的研究进展

雷 佩 ，糜 强

（西安思源学院，陕西 西安 710038）

0 引言

在制造业领域中，制造有四种方法。第一种方法是减法制造，即从原材料开始加工为想要的零件，比如要做一个纸杯蛋糕，可以先买一个大蛋糕，再把所有多余的东西都切掉，做成纸杯蛋糕的形状。手工木雕、数控加工或激光切割等都属于减法制造。第二种方法是成形，对一块材料施加力使其尺寸发生变化，然后对其形状和尺寸进行改变。第三种方法是铸造，将金属熔化后浇入铸型中以形成预定的物件。第四种方法是增材制造（AM）。

3D打印是一个增材制造过程，AM和3D打印的范畴包含了从数字文件创建三维原型和结构的一个全过程。计算机辅助设计的实体建模组件是3D打印技术的基础。这些实体建模数据被用于创建极薄的横截面区域层及制造复杂的形状和表面，这些设计用传统方法很难实现。

3D打印零件是逐层增材开发的，是一种以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。3D设计是在可连接到3D打印机的计算机软件上创建的，该软件可生成一种特殊类型的文件发送到打印机，3D打印机读取该文件，并通过将一层连接到另一层上的方式来创建产品。3D打印机一次读取单个二维层的部件，而不是一整个单个部件。3D打印机创建3D对象的基本过程如图1所示。

图1 3D打印机创建3D对象的基本过程

其中STL文件格式（stereolithography，光固化立体造型术的缩写）是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。3D打印在制造复杂部件时具有更少的材料浪费、更少的后处理和非常低的成本等优点，使得3D打印成为更具未来的技术。3D打印在重复使用塑料、回收和减少排放等方面也有很大的潜力。该技术还能够制作复杂几何形状的设计，在重量轻、强度重量比率好的产品中也有很好的应用。因此，3D打印应用在可持续设计的生产中有广阔前景。

1 3D打印工艺的类型

为了满足高分辨率复杂模型的打印需求，AM技术应运而生。快速成型技术在AM技术的发展中发挥了重要作用。AM技术有三种主要类型：烧结——在不液化的情况下提高材料的温度以组成复杂的高分辨率原型；熔化——电子束用于熔化粉末；立体光刻——一种被称为光聚合的方法，使用相关的紫外线激光。根据ASTM（美国测试与材料协会），AM被分为七个过程，包括增值光聚合、材料喷射、粘结剂喷射、材料挤压、粉末床融合、薄板层压和直接能量沉积。

1.1 立体光刻机（SL）

3D打印时代开始于20世纪20年代末，SL是市场上最早的3D打印工艺。第一台3D打印机用于制造3D模型、3D零件和图案。在20世纪70年代就有许多关于3D打印的研究，1984年由查尔斯·赫尔获得3D打印的专利[2]。

立体光刻机的工作流程，首先在系统上生成一个CAD文件，并将该文件转换为STL文件类型。此STL文件类型主要为3D打印机提供所需的几何数据。光刻机的四个组成部分是紫外（UV）可固化光聚合物液体、穿孔工作台、激光源和控制过程的计算机。在读取STL文件类型后，穿孔台浸没在液体罐中。当工作台向下移动时，液体聚合物通过穿孔台流到工作台上，当液体接触到工作台的那一刻，紫外线激光就会击中光液体聚合物的上表面，使其立即硬化。然后，工作台再次向下移动，创建一层一层，每个连续的层从基础层开始融合。在最后一层完成后，打印好的部分被浸入另一种树脂中，这时3D打印的模型就从液体聚合物中分离出来了。在这个过程之后，所有层之间的粘合在特定的树脂中变得更为牢固，之后，这个3D打印模型可以在紫外线固化烤箱中烘烤。在烤箱内，在预定的温度下，所有的层都变硬，强度增加，并获得所需的表面光洁度。这就是立体光刻的全过程。立体光刻是3D打印的一种方法。在此过程中，液体光聚合物在立体光刻机（SL）的作用下制作成为3D物体。

1.2 熔融沉积成型（FDM）

FDM是一种热塑性聚合物，大部分为丝状线材。该热塑性长丝被喷嘴加热到熔点，然后一层一层地推出，形成一个3D物体[3]。FDM技术是由Scott Crump在20世纪90年代早期由美国Stratasys公司引进的。用于FDM的3D打印机包含一个与自由度相关的支撑底座，并且可以在垂直方向上上下移动。在底板上，有一个连接丝线的挤出机，负责将丝线加热到熔点，然后在喷嘴的帮助下一层一层地挤出，形成所需的物体。挤出机可以在三个方向（X、Y和Z）移动，相邻层可以得到巩固彼此的作用，沉积是由挤出机完成的。根据产品所需要的外表，最终可将产品浸在树脂中，类似于SL方法。

1.3 粉末床熔合成型（PBF）

PBF工艺使用一层薄薄的粉末构建板，用激光或电子束将粉末熔合成几何构建[4]。这个过程允许激光选择性地一层一层地聚合粉末，从而得到三维切片。PBF工艺在前一层的连接层上铺上粉末，为后一层的工艺做好准备，产生的不是连续的输出（尽管如此，每一层都与相邻层连接）。料斗输送粉末状的金属，然后通过滚筒或刷子均匀地散布在粉末床上。在生产过程中的，粉末的最佳厚度和所要制作的模型有关。选择性激光烧结（SLS）、电子束熔炼（EBM）、选择性激光熔炼（SLM）、直接金属激光熔炼（DMLM）和直接金属激光烧结（DMLS）都是粉末床熔合（PBF）的统称。

1.4 选择性激光烧结成型（SLS）

在20世纪80年代中期，德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard博士和Joe Beaman博士发明了这种方法[5]。选择性激光烧结（SLS）是一种快速成型方法，通过将连续的粉末材料层粘合在一起，以形成所需的模型。计算出表面和末端融合的数据后，CO2/N2激光器将粉末层凝固。在这种方法中，通常使用化合物粉末。粉末可以是热塑性、陶瓷、玻璃、金属等。如果使用的粉末是由金属制成的，那么这种方法就被称为直接金属激光烧结（DMLS）。SLS打印机由两个腔室组成，动力从第一个腔室传达到第二个腔室，在第二腔室进行制造。这种粉末在低于熔点的温度下加热，矫直机或滚轮在粉末形成层的顶部，这种制造完成后，还需要进行精加工。

1.5 粘结剂喷射成型（BJ）

粘合剂喷射是喷墨技术改进版。它使用喷墨技术而不是激光技术来生成这个构建[6]。它使用喷墨2D打印机技术来形成3D构建。在这个过程中，两个轴上移动的打印头精确喷射液体粘合剂。这个过程也跟任何其他3D打印过程一样，通过创建3D绘图，然后将其导入打印机软件中。由于印刷过程中需要不断地供应粉末，因此分配器将需要使用的粉末放入其中来确保供应。在应用不同厚度的粉末片后，打印头根据需求将粘合剂附着在一起，再使用荧光灯或电灯将含有粘合剂的溶剂进行干燥。之后，粉末床降级，并应用新的粉末。在循环完成后，将粘合剂放入炉中。炉中的温度和所需时间等因素取决于所使用的粘结剂的性质。金属和陶瓷部件在使用前必须经过烧结、渗滤、热处理等预处理。大多数金属和塑料材料不需要任何后处理，只要从打印系统中出来就可以使用了。

1.6 直接能量沉积技术（DED）

与其他3D打印工艺不同，这种方法主要用于维修和维护。DED技术由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔区，熔化后逐层沉积而形成造构[7]。DED工艺设备由能量源集成的沉积头和两个给粉喷嘴组成。在这个过程中，既可以给金属粉末，也可以给细线。要制造的特定部件保持在一个平台上，沉积头的方向（沉积粉末束和激光束）是一个4轴或5轴机器。DED工艺使用一个集中的热供应（电子束或激光），然后材料被一层一层地固定并通过光照进行凝固，在产品上进行修复和增加新的材料对象。DED属于增材制造的一种，常用于大尺寸的金属制作。

1.7 层压物体制造（LOM）

层压物体制造快速成型技术是一种薄膜材料叠加过程，简称LOM[8]（分层实体制造）。由Helisys的Michael Feygin于1986年在美国成功开发。

这是一种快速制作原型的过程，先将纸、塑料或金属层压板环氧化在一起，再使用激光切割机根据三维CAD模型各部分的轮廓线切割成项目或模型所需的形式。在计算机的控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头在X和Y方向上移动。进料机将热熔涂覆的箔（例如涂布纸、涂覆的陶瓷箔、金属箔、塑料箔）送到工作台的顶部。激光切割系统根据由计算机提供的横截面轮廓，用CO2激光束沿着轮廓切割桌子上的纸张，并将纸张未选择的区域切割成小块。然后，通过热压机构将一层纸压制并粘合在一起。可升降的工作台支撑正在形成的工件，并且在形成每个层之后，降低纸张厚度以进给粘合和切割新的纸层。最后，形成由许多小废料块包围的三维原型部件，将其取出并去除多余的废料片就可以获得三维产品。

2 3D打印工艺中的材料

由于材料科学的迅猛发展，现代3D打印技术的发展已经突破单一原材料的限制，现在的创新材料主要有：热熔性塑料、光固化材料、金属、石蜡等[9]，可以同时打印多个复杂性的物体和产品。3D打印中不同材料的优点及缺点如表1所示。

表1 3D打印中不同材料的优点及缺点

3 3D打印的发展展望与应用

1）3D打印技术的发展已经成为当今社会发展的重要组成部分，其应用领域也在不断扩大。3D打印技术在工业制造领域的应用最为广泛，传统的工业制造过程被逐渐取代，3D打印技术可以快速制造出精确的零件，大大提高了制造效率，减少了制造过程中的人工操作，降低了成本[9]。

2）3D打印技术在医疗领域也有着广泛的应用。3D打印技术可以快速制造出精确的器官模型[10]，可制造出可以在人体生长的心脏薄膜支架及骨组织[11]，可以制作出天然牙齿。此外，3D打印技术还可以制造出各种医疗器械，从而更好地满足患者的需求。在生物医学工程方面，使用生物替代品来修复被破坏或受损的组织的研究取得了一定进展。

3）3D打印技术也在其他领域有着广泛的应用。在能源领域，可以制作设备模块、嵌入式传感器以及智能组件制造的智能部件，可以获得实时系统性能的反馈，并能在运行期间进行现场监测。在建筑领域，3D打印技术可以快速制造出各种建筑结构，从而大大提高建筑效率。在汽车制造领域，3D打印技术可以快速制造出各种汽车零件，大大提高汽车制造效率，还可以修复汽车发动机[12]。3D打印技术的发展已经越来越受到重视，应用领域也在不断扩大。未来，3D打印技术将在更多领域得到广泛应用，改变人们的生活方式。