打印未来—3D打印技术探究

打印未来—3D打印技术探究

崔家瑞

关键词：3D打印；增材制造；逐层叠加

1.3D打印简介

3D打印技术，又称为增材制造技术，属于快速成型技术的一种，因其可以制造出三维立体的模型，形式和打印机类似而得名。其原理是根据所要加工零件的计算机三维模型，通过3D打印机以逐层叠加材料的形式来制作实物。通过此技术，不仅可以按需制造传统工艺无法制造的复杂零部件，并且可以完全实现自由制造，加工工序简单，制造方式高度灵活，被认为是进入21世纪以来最具革命性的制造技术，也被称为是“第三次工业革命”中的核心技术组成部分，为原本死气沉沉的制造业注入了新鲜的活力。3D打印虽然属于制造技术，但是其却涉及计算机建模技术、机电技术、控制技术、电子信息技术、材料与化学技术和人体工程学等多项前沿领域。

2.1熔融沉积成形（FDM）

FDM使用的材料是热塑性材料，和日常生活中使用的塑料类似，这类材料在高温下会熔化，在低温下又会凝固，是一种可塑性很强的基础材料。FDM的原理是先将热塑性材料加工成线形或者丝状，以便快速熔化，并由传送机构送到打印喷头之中，运送过程一般为匀速，其速度也可以根据打印部分所需要材料的量多少来实时调整。打印喷涂中有发热设备，可以使线状或丝状材料迅速熔化。在熔化的过程中，打印喷头会按照事先设计的三维模型所生成的路径按照计算出的速度移动，同时，打印喷头中的材料被挤压出来材料冷却后形成实体。这样，3D打印喷头每工作一层，就会有一层的材料和上一层的材料粘接，不断循环层层累积从而制造出最终的模型。FDM3D打印机的喷头相对于打印平台至少需要三个自由度，以便可以实现全打印机内的点位覆盖。

目前可用于该工艺的材料主要为便于熔融的低熔点材料，不同材料的加热熔融温度不同，在常见的FDM技术所用的材料中，蜡丝熔点为96摄氏度，聚烯烃树脂丝为106摄氏度，聚酰胺丝为155摄氏度，ABS塑料的熔点则为270摄氏度，一般熔点大于500摄氏度的材料不适宜用FDM技术进行打印。

2.2激光选区熔化（SLM）

SLM技术所用的材料为金属粉末，粉末状的金属一方面便于传送，另一方面也更易熔化，金属材料自身的属性决定了其适合制造复杂结零件，并且金属也是大多数零件必要的组成部分，所以SLM技术显得尤为重要。SLM3D打印技术的原理是首先采用高能激光束熔化金属粉末，该激光束的光斑直径非常小，仅仅为100μm，目的是为了产生大量的能量，将金属熔化。在熔化的过程中，一层一层选择适当的区域进行累加。完成一层以后，将粉料缸提高一个层高，相对地把成形缸下降一个层高，将金属粉末均匀铺在每层指定的位置，从而形成致密、坚固的金属零件。当然在进行打印操作之前，也需要通过计算机设计打印零件的三维CAD模型，并对三维模型进行切片，形成一层一层的模型，最终得到整个打印任务的路径规划。

SLM技术非常适合制造具有复杂形状的金属部件，特别是一些具有奇特或者个性化内腔结构的零部件，所使用的材料包括但不限于不锈钢、高强度钢、铝合金、钛合金、铜合金等多种材料，其中铝合金被广泛地应用于航空航天、汽车、军事设备等领域。

2.3光固化成形（SLA）

早在1985年，美国公司3DSYSTEM就开发出SLA技术并且进行了商业化，SLA技术发展历史久，技术也非常成熟，得到了广泛的应用。与前面所介绍的沉积式打印不同的是，SLA技术是一种粘合式3D打印技术，其特点是可以达到更好的材料利用率和精度，制作出来的零件和传统模式的精度相差无几，并且在加工过程中浪费的材料可以忽略不计。

SLA技术利用光能将材料固化，最终累积形成模型，其制造流程如下：（1）将三维立体添加必要支撑部件，并将添加支撑后的立体进行切片。（2）激光器按照规划路径对一个层面内的加工材料进行选择性固化。（3）平台下降一个层厚，校正位置，以便进行下一层的加工。（4）重复以上两个步骤直至所有层面加工完毕，在整个加工过程中，平台持续上升。（5）最后需要对加工好的模型去除支撑，经过清洗等处理后便可以获得指定的零件。

根据SLA技术的原理，其加工材料主要与光敏树脂为主，正常状态下的光敏树脂为液态，其对于紫外线非常敏感。SLA所采用的光敏树脂和普通树脂不同，主要由低分子聚合物、活性单体、光敏引发剂和染色剂等其他物质，这种混合型树脂可以实现高效率的凝固。目前，各大公司大多都开发出自主的光敏树脂材料，以供3D打印使用。

3.3D打印的应用

随着技术的不断成熟的成本的不断降低，3D打印以其高效率、高精度的制造模式和高度的灵活性被各行各业广泛地应用，其中又以装备制造、医疗、建筑、服装等领域最为普遍。

（1）装备制造业。在装备制造业之中，3D打印更多地适用于设备的设计、制造和维修。例如在汽车的研发和设计过程中，工程人员通常会利用3D打印技术，按照预先设计的3D模型来打印出指定比例的模型，并将此模型在各种条件下进行试验，验证该方案是否可以实际投产，在试验过程中还可以对模型的各种参数进行调整，在降低试验成本的同时也大大缩短了生产制造前繁琐的试验周期。除此之外，汽车和航空产品的一些部件通过3D打印可以便捷地实现轻量化，这些部件大大增加了汽车和飞机的性能。

（2）医疗领域。3D打印在医疗领域的应用主要包括人体部分骨骼和器官的制作、医学模型的制作、人体细胞打印等。每个个体的基因不同，骨骼和器官的差距也很大，当患者需要更换一些骨骼或者器官时，3D打印便可以打印出符合患者身体要求的个性化模型，与传统加工方式，3D打印的时间更短、精度更高，真正可以做到1:1的量身定制。另外，3D打印技术还可以让人体细胞按照预先设计的模型进行生长，从而自主形成某些指定的组织器官，例如可以用于烧伤病人恢复大面积的伤口，或者现代比较流行的面部整容。

（3）建筑领域。3D打印在建筑领域的应用主要集中在中小型建筑的建设中。国内目前可以实现的建筑打印大多为1~2层，强度可以达到2~3.5MPa。能够快速成形是3D打印建筑的一大特点，一般小型建筑物可以在一天之内完成，这是传统建筑施工无法实现的，打印成形的建筑可以用作展会、样板间、救灾房或其它临时用途。

4.结语

3D打印作为一种极具未来性的制造技术，在世界各国的高度重视和持续投入下，已经成为了制造业新的热点，已经被应用于社会的各行各业。然而，目前的3D打印技术存在强度差、批量化加工效率低、成本昂贵等限制因素，在制造加工技术中还是处于小众技术，3D打印想要在制造业中占据一席之地，必须不断地寻求技术突破，不断降低材料和设备成本。我国的3D打印技术起步相对较晚，技术落后，发展也相对不均衡，主要企业集中在广东、江苏、上海等沿海地区，大多数材料和设备都依赖于国外进口，国内掌握的核心技术十分匮乏，这就导致了我国在这个领域始终受制于人。目前，我国已经越来越重视3D打印这项技术，很多高校和研究机构也受政策鼓励开始不断开发新的技术和材料，3D打印这一新兴事物也会不断吸收各行各业的最新成果，最终向着成熟的方向发展，服务于我国的“智能制造”的不断发展。

参考文献

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