3D打印技術概述

汪瀚寧++吳琴++秦學文

摘 要： 3D打印技術是一種利用三維數字模型逐層疊加成型的增材制造技術，其以顛覆性的制造原理被廣泛運用于各行業與領域。文章對3D打印的定義、3D打印常見成型工藝及

一、3D打印的簡介

（一）3D打印的定義

3D打印技術，學術上又稱“添加制造”（additve manufacturing）技術，也稱為增材制造或增量制造。3D打印技術是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品的制造方法[1]。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝，不需要龐大的機床，也不需要眾多的人力，直接由數字化文件生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

（二）3D打印的過程

對于大多數人來說，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面內容的普通打印機，事實上傳統的噴墨打印機和某些工藝類型的3D打印在技術上確實比較接近。3D打印使用特制的設備將材料一層層地噴涂或熔結到三維空間中，最后形成所需的實體，所用設備即3D打印機。一般來說，通過3D打印獲得實體需要經歷建模、分層、打印和后期處理四個主要階段。

1.三維建模

三維模型通常有兩種途徑獲取，一是通過3D掃描儀獲取對象的三維數據，并且以數字化方式生成三維模型；二是使用三維建模軟件從零開始建立三維數字化模型。

2.分層切割

由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入電腦中后，需要通過打印機配備的專業軟件進一步處理，即將模型切分為一層層薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的精度決定。

3.打印噴涂

由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結到三維空間中，根據工作原理的不同，有多種實現方法。常見的有光固化方法（SLA）、熔融沉積制造（FDM）、選擇性激光燒結法（SLS）等。

4.后期處理

模型打印完成后一般都會有毛刺或粗糙的截面。這時需要對模型進行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等，才能最終完成所需要的模型的制造。

（三）3D打印的特點

數字制造：借助CAD等軟件將產品結構數字化，驅動機器設備加工制造成器件；數字化文件還可借助網絡進行傳遞，實現異地分散化制造的生產模式。

降維制造：把三維結構的物體先分解成二維層狀結構，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術可以制造出任何復雜的結構，而且制造過程更柔性化。

堆積制造：采用分層制造的堆積方式對實現非勻致材料、功能梯度的器件更具優勢。

直接制造：任何高性能難成型的部件均可通過打印方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等過程實現。

快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現現場制造，因此，制造更快速、更高效。

綠色制造：3D打印技術是增材制造技術，與傳統減材制造相比具有較高的材料利用率，同時可以采用復雜的結構減少材料使用量，降低能源消耗，從而實現制造的綠色可持續發展。

二、3D打印常見成型工藝

現在常見的3D打印工藝有SLS、SLA、FDM。

（一）SLS（Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結）

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層一層層疊加生成所需形狀的零件。工藝原理（見圖1）。該工藝通常采用金屬、石蠟、陶瓷粉末等作為成型材料。成型件強度高、無須設計支撐結構，但是成型后的工件表面比較粗糙，后期處理工藝比較復雜。

（二）SLA（Stereo lithography Appearance 立體光固化成型法）

立體光固化成型法是最早商用的3D打印技術，它采用的成型材料是液態光敏樹脂，當特定波長與強度的激光照射到液態材料表面時，光敏樹脂則會凝固為固體。激光由點到線再由線到面的依次掃描就形成一層面的成型作業，然后工作臺升降一個層片的高度，在成型下一個層面，通過這種方式制造三維實體（見圖2）

光固化成型法技術成熟度高、成型速度較快、表面精度較高，但是系統造價昂貴，成型件強度較低，所以還無法大范圍使用。

（三）FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積制造）

熔融沉積制造是采用低熔點的絲狀材料作為成型材料，通過熱噴嘴把熔融的材料涂覆在工作臺上，噴頭作X-Y平面運動，工作臺做Z向運動，然后逐層疊加成型（見圖3）。這種成型工藝雖然需要設計輔助支撐結構，但是因為不需要復雜的能量束，使用維護簡單，成本低，同時耗材種類相對豐富，所以該工藝使用較廣泛，目前FDM系統在全球已安裝快速成型系統中的份額大約為30%。

當然還有其他3D打印成型工藝，例如，分層實體制造（Laminated Object Manufactuing，LOM）、電子束選區熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每種技術都有各自的優缺點，應根據使用場景、材料、成本等因素選擇合適的成型工藝。

三、3D打印的應用及其意義

3D打印機的應用領域極其廣泛，從尋常百姓家的鍋碗瓢盆，到關系到國家安全的國防事業，幾乎各種領域都可以有它的身影。它的應用對象可以是任何行業，只需要這些行業提供3D數據模型或原型，3D打印機均可以加工。其中這些行業中對3D打印機需求較大的包括政府、航空航天、醫療設備、高科技研發、教育業及制造業。

醫療行業：從2010年美國成功打印活體器官開始，似乎直接打印人體也并不是不可能，它更類似于克隆技術，打印出來的活體器官不會與患者排斥，還可以打印骨骼、牙齒等。我們可以預計在將來3D打印機的發展中，在醫療方面引入一個全新的人體植入概念，讓更多的患者看到希望。

產品研發：我們可以利用3D打印技術快速制造手板模型，這樣不但保留原有結構的特征，還可以做比例縮減，縮短加工時間，降低生產成本，減少產品改良時間，更適合產品研究開發。

建筑設計：在建筑業，工程師和設計師們已經開始使用3D打印機打印建筑模型，這種方法快速、低成本、環保，同時制作精美。完全符合設計者的要求，切實節省大量的材料和時間。

軍事領域：航空航天是3D打印技術運用較為廣泛的領域之一，國內外均已有成功的應用案例。飛機零部件往往結構復雜，形狀特異，采用傳統的制造方法不僅難以實現，而且成本高昂，而3D打印技術正好可以解決這方面的問題。在裝備保養維修方面，通常需要大量備件保證裝備全壽命的保養維修或戰時的緊急維修，而3D打印技術提供的柔性制造能力能夠滿足多類型的零件制造的需求，降低經濟成本，縮短維修保養周期[2]。

四、3D打印技術的發展趨勢

2016年4月5日，Wohlers Associates公司發布全球3D打印行業最新年度報告—《Wohlers Report 2016》，報告顯示，2015年全球增材制造和3D打印市場銷售額達51.65億美元，相比2014年增長率達25.9%[3]。英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將“3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一”[4]，這可以充分看出3D打印機將來不是要取代某一個制造業，而是要取代幾乎所有的制造業。

3D打印技術代表著生產模式和先進制造技術發展的趨勢，雖然現在還面臨許多挑戰和難題，但是它使制造工藝發生深刻變革。它改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產的模式，節省了材料和加工時間。同時3D打印技術帶動制造技術的重大飛躍，3D打印技術是一門綜合應用CAD/CAM技術、激光技術、光化學、控制、網絡及材料科學等諸多方面技術和知識的高新技術。3D打印技術的不斷成熟將推動新材料技術和智能制造技術實現大的飛躍，從而帶動相關產業的發展。

D打印技術向日常消費品制造方向發展。據Wohlers Associates發布的報告顯示，去年5000美元以下的桌面級3D打印機全球共售出278000臺。報告中有一個圖說明，從2010年到2015年，桌面級3D打印機的市場就像曲棍球棒一樣，增長呈現從水平到垂直的趨勢。桌面級3D打印機將作為計算機一個外部輸出設備而應用。它可以直接將計算機的三維圖形輸出為實體。在科學教育、工業設計、產品創意等方面有廣泛的前景[5]。

D打印技術向功能零件制造發展。3D打印技術優勢在于制造周期短、適合單件個性化需求、大型薄壁零件制造、鈦合金等難加工易熱成形零件制造、結構復雜零件制造，在航空航天、醫療等領域具有廣闊發展空間。進一步的發展方向是提高精度和性能，同時向陶瓷零件和復合材料的增材制造技術發展。

D打印技術向智能化裝備發展。目前3D打印機在軟件和后處理方面還有許多問題需要優化。進一步提高軟件的智能化和自動化，能夠降低行業的準入門檻，從而推動3D打印技術和設備走向普通民眾。

五、結語

任何技術都不是萬能的，就目前而言，傳統制造技術仍有很大的空間，3D打印技術應該與傳統制造技術相互補充、支撐。隨著材料科學的發展和制造精度的提高，3D打印技術以其制造原理的優勢將會成為潛力巨大的制造技術。與傳統制造技術一樣，3D打印需要一個漫長技術積累和驗證過程，只有通過長期、大量的應用研究，發現和解決本身固有的問題，才能使3D打印技術的應用不斷向廣度和深度發展。

參考文獻：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g發展[J].機械制造與自動化，2013（4）：1-4.

[2]金大元.3D打印技術及其在軍事領域的應用[J].新技術新工藝，2015（4）：9-12.

[3]Wohlers Associates Inc. Wohlers Report 2016[R].2016.

[4]第三次產業革命[J].經濟學人（英），2012-04-21.

[5]Wohlers報告：2015年3D打印行業超51億美元[EB/OL].http：//www.sohu.com/n/446369319/.