王 康，黃筱調(diào)，袁 鴻

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，江蘇南京 211800)

3D打印技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，近幾年該技術(shù)發(fā)展迅猛，潛力巨大，是當前最熱門的新興技術(shù)之一。3D打印機根據(jù)三維CAD模型將塑料、金屬粉末或固體無機物粉末等可黏合材料通過不同類型的噴頭，逐層堆積在工作臺上并最終形成目標零件。與傳統(tǒng)減材制造工藝不同，3D打印是一種通過不斷添加材料直至工件完成的自由成形技術(shù)，在克服傳統(tǒng)制造業(yè)難加工或無法加工的短板的同時，更大幅減少了整個加工過程當中原料的浪費。3D打印技術(shù)誕生于20世紀90年代中期，由于早期技術(shù)和成本的限制并沒有得到廣泛的運用［1］。經(jīng)過20多年的發(fā)展，得益于工藝、材料和設備等方面的進步，現(xiàn)在的3D打印不僅價格更低，精度和可靠性也更高。

1 3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀

近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛，一度被奉為“第三次工業(yè)革命”的象征性技術(shù)，其應用相當廣泛，工業(yè)設計、航空航天和醫(yī)療等各大領(lǐng)域均已出現(xiàn)3D打印的身影。

1.1 航空航天

歐美等發(fā)達國家和地區(qū)十分重視3D打印技術(shù)，已將其定為發(fā)展航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。3D打印技術(shù)現(xiàn)階段主要應用在2個領(lǐng)域:復雜零部件的直接快速制造和受損零部件快速修復［2］。

1)國外應用情況。

2013年，歐洲空間局(ESA)提出AMAZE計劃，旨在發(fā)展以實現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費為目標的增材制造，該計劃的提出將首次實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)3D打印金屬件以用于噴氣式飛機、航天器以及核聚變等項目的零件制造。

自1997年至今，波音公司已經(jīng)使用3D打印技術(shù)近20年，超過20 000個3D打印的金屬零件已被應用在多種飛機上?？湛凸就ㄟ^全球3D打印巨頭的FDM制造系統(tǒng)成功制造了1 000多個零件，并且已經(jīng)應用在A350客機上。由于3D打印直接成形的特性，航空零件愈發(fā)依賴其生產(chǎn)力，3D打印技術(shù)也在快速改變著飛機的生產(chǎn)過程。

近日，通用電氣公司一團隊制造了一臺微型噴氣式發(fā)動機(如圖1所示)，該發(fā)動機的體積只有一個單肩包大小，由高熔點金屬3D打印機打印完成。該發(fā)動機轉(zhuǎn)速高達33 000r/min，將被應用于無人機［3］。

圖1 3D 打印噴氣式發(fā)動機

2)國內(nèi)應用情況。

中國航天科技集團公司與上海技術(shù)研究院共同研制出了一款多激光3D打印機，目前已經(jīng)成功打印出衛(wèi)星星載設備的光學鏡片支架、飛機研發(fā)過程中所用到的葉輪等構(gòu)件。這些構(gòu)件形狀不規(guī)則，體積微小，內(nèi)部構(gòu)造復雜，傳統(tǒng)工藝很難加工出來，并且成本高昂，而這臺激光3D打印機卻完美地解決了這些難題。

2014年底遙感衛(wèi)星二十四號發(fā)射成功，并順利通過了在軌測試。中國航天科技集團508所與北京航空航天大學在共同研制衛(wèi)星的過程中用3D打印技術(shù)完成了鈦合金次鏡支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和一體成型。

東方航空技術(shù)公司通過3D打印機完成了兩架波音飛機客艙指示牌的制作。從美國定制這個指示牌需要半年且價格不菲，而采用3D打印不僅大大降低了成本，還大大縮短了研制時間。此外，在修復被鳥損壞的機翼時，由于破損的部位形狀尺寸都不相同，人工打磨材料非常困難，而3D打印機則可以輕松解決此類問題。目前，東方航空已有數(shù)十個飛機零件由3D打印完成，不久將會在民航部門推廣。

1.2 工業(yè)設計

3D打印技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，其精度和可靠性已有較大提高，尤其是金屬3D打印，不亞于傳統(tǒng)制造水平。

3D打印因為其直接成形的特點，在模具制造方面更顯現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。

1)直接制模。

傳統(tǒng)數(shù)控加工雖然精度高，但是面臨小批量生產(chǎn)所需的特殊和較復雜的模具時，耗時較多且成本高昂，3D打印卻非常適合生產(chǎn)此類模具。2013年，Diversified Plastics Inc公司將3D打印技術(shù)應用于模具生產(chǎn)和產(chǎn)品原型的制造，大幅提高了生產(chǎn)效率，也更加適合加工各種形狀特殊、構(gòu)造復雜的模具和零件。

2)快速精鑄。

快速精鑄即快速制造精密的模具。目前，關(guān)于快速鑄模的方法有很多，如失蠟鑄造法、消失法等。最早從事此項研究的是美國3D systems公司，該公司在以光固化打印技術(shù)制成的原型表面上掛漿，然后通過高溫將泥漿內(nèi)部的原型材料汽化得到硬質(zhì)陶瓷鑄模，用于金屬零件的澆注成形，此項技術(shù)被稱為“Quick Casting”。該技術(shù)避免了一般鑄造方法中起模、下芯、合型等工序帶來的尺寸誤差，所獲鑄件棱角清晰，尺寸精度高，表面粗糙度小，受到廣泛關(guān)注。美國德州儀器公司采用“Quick Casting”技術(shù)澆注出電子托盤、機架、印刷配線板等復雜零件;福特汽車公司借助此項技術(shù)在制造汽車零件模具方面也取得了滿意效果［4］。隨著3D打印技術(shù)的引入，將大幅提高傳統(tǒng)生產(chǎn)線的靈活度。

1.3 醫(yī)學

近年來，3D打印技術(shù)除了在制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到成功應用，在醫(yī)學領(lǐng)域也取得了驚人的成績。

1)醫(yī)學模型快速建造。

3D打印技術(shù)可以制作很多醫(yī)用工具、模具。如首先通過掃描儀將病患處的實際形狀完整建模，然后通過3D打印機完成實體制造，最后用打印出的病患處模型進行模擬手術(shù)。2014年，湖南湘雅醫(yī)院成功通過3D打印，完成了一項腿部矯正手術(shù)。病人因幼年時車禍后遺癥導致腿部嚴重畸形，十年來無法正常行走，由于骨骼已經(jīng)定型，故手術(shù)難度很高。醫(yī)生首先采用3D打印機復制了病人腿部畸形的骨骼，然后結(jié)合3D打印模型，經(jīng)過一個月的模擬手術(shù)試驗和術(shù)前準備，為病人制定了周詳?shù)拿劰嵌嗥矫娼毓浅C形方案，最終完成了病人腿部的矯正(如圖2所示)。如果采用傳統(tǒng)醫(yī)用模型制作方法，則很可能因為其生產(chǎn)周期長等問題錯過病患者的最佳治療時間。當前的3D打印技術(shù)在打印速率和材料種類方面已經(jīng)能夠很好適應醫(yī)用模型的需求，前景較好。

圖2 病人骨骼模型和矯正方案

2)組織器官代替品制作。

組織工程技術(shù)有望解決器官移植緊缺的現(xiàn)狀。然而，人造三維器官的制造和裝配仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。組織器官三維印刷為此提供了一個解決方案，其包括3個部分:虛擬器官成活發(fā)育前處理;虛擬器官實體打印;對成型后的器官進行調(diào)整和后處理，加快器官成熟。相比于普通3D打印，生物組織的打印難度要高得多。根據(jù)3D打印的原理，生物打印的原材料則是不同組織的細胞，即生物墨水，然后通過特殊的黏接劑將這些細胞組合成一個完整的組織。但是這些“組織”并不能像真正的組織那樣工作，只是一個由生物墨水構(gòu)成的模型。這也是生物3D打印真正的難點——使打印的組織具備實際功能十分困難?，F(xiàn)在，國外已有一些科學團隊嘗試打印人體肝臟，2014年11月，美國Organovo公司宣布用3D打印技術(shù)打印了活體肝臟，但只能存活40天(如圖3所示)。國內(nèi)，華中科技大學徐銘恩教授成功地3D打印出了首個活體腎臟組織，并且能使其存活4個月(如圖4所示)。

圖3 3D打印的肝臟組織橫截面

圖4 3D打印的活性人體腎臟

目前，生物3D打印技術(shù)才剛剛起步，除了成形還有很多高復雜性的問題要解決，距離技術(shù)成熟還有很長的路要走。

2 典型的3D打印技術(shù)

2.1 金屬零件的3D打印技術(shù)

20世紀90年代，德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所提出了選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)［5］概念。SLM技術(shù)用高強度激光束選擇性地熔化金屬粉末，被熔化的金屬粉末逐漸形成目標零部件。該技術(shù)可以直接制造精密復雜并且具備一定力學性能的金屬零件，是3D打印技術(shù)的主要發(fā)展方向。

SLM的基本原理(如圖5所示):計算機將設計好的三維圖形切片分層，激光束則根據(jù)每一層的形狀數(shù)據(jù)，選擇性地熔化金屬粉末。每完成一層粉末的“打印”，平臺下降一個圖層厚度，鋪粉輥重新平鋪上一層相同厚度的粉末。激光束繼續(xù)在新的粉末層掃描下一層截面輪廓，不斷地重復疊加直到完成零部件的成形。

圖5 SLM原理

SLM技術(shù)的優(yōu)點:

1)精度高?，F(xiàn)有金屬類增材制造工藝中精度最高，尺寸精度 ±0.1mm，表面粗糙度 Ra5～10μm。

2)力學性能好。由于該技術(shù)所制零部件是由激光熔化的液態(tài)金屬凝結(jié)而成，是一個致密的金屬實體，具備較好的力學性能。

3)材料廣泛。由于采用了小光斑激光術(shù)，在低功率的情況下就能實現(xiàn)高溫熔融效果，所以選擇性激光熔融技術(shù)的適用材料很多，如金屬粉末、合金粉末，甚至陶瓷等固體無機物粉末等。

由于SLM技術(shù)能直接制造具有較高精度的功能性金屬零件，故具有很廣泛的應用前景。目前SLM技術(shù)已被應用到工業(yè)模具、醫(yī)用植入體、航空零件等領(lǐng)域中，但是該技術(shù)仍存在成型件表面質(zhì)量差的缺點。

2.2 高分子材料零件的3D打印技術(shù)

2.2.1 光固化

光固化(stereo lithography apparatus，SLA)工藝方法也稱液態(tài)光敏樹脂選擇性固化，是最早商品化和市場占有量最大的3D打印技術(shù)［6］。液態(tài)光敏樹脂在接觸到紫外光時會自發(fā)固化，而光固化技術(shù)利用了這一特點。紫外光束按照數(shù)字模型以輪廓掃描的方式照射液槽里的液態(tài)光敏樹脂，當完成一層掃描后，工作臺下降固定高度使得固化部分被樹脂液面淹沒，再根據(jù)下一個截面數(shù)據(jù)重復上述步驟，最終完成零部件的制造。隨后對零部件進行相應的后處理(如圖6所示)。光固化成型件一般尺寸較小，以樹脂件和類似工程塑料件為主，多用于制作產(chǎn)品原型。

圖6 立體印刷(SLA)工作原理

SLA的優(yōu)點是精密度較高、穩(wěn)定性高、材料浪費少，適合成型結(jié)構(gòu)復雜的部件。因此，該技術(shù)在航空、汽車、電器及醫(yī)療等行業(yè)得到廣泛應用。但是，成型件強度較低、材料種類單一也是該技術(shù)的明顯短板。

2.2.2 熔融沉積

熔融沉積(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)的工作原理(如圖7所示)是將熱熔性絲狀材料通過進給裝置送進熱熔噴頭，噴頭在工作臺上按照零部件截面輪廓噴出半固態(tài)材料，而輪廓上的材料則快速固化，完成一層之后工作臺面下降一個高度，重復以上步驟直至完成打印。

圖7 熔融沉積成型(FDM)工作原理

FDM技術(shù)的優(yōu)點:

1)價格便宜，運行成本低。因為FDM無需昂貴的激光設備以及SLM打印機的附屬設備，構(gòu)造簡單，因此費用較低。

2)可用材料多樣?？刹捎肁BS、尼龍、蠟等熱熔性材料成型各種非金屬零件。

目前，F(xiàn)DM打印機已成為產(chǎn)量和種類最多的增材制造設備，應用相當廣泛。但是該技術(shù)也存在精度較低、成形速度慢等缺點，不適合構(gòu)建大型零件。

3 3D打印在建筑領(lǐng)域的應用

隨著科技的進步和生活的改善，人們對工作環(huán)境和勞動強度合理分配的要求也越來越高。由于需要大量從事體力勞動的工人，土木建筑行業(yè)正面臨著勞動力短缺的問題，如何在保證工程進度和質(zhì)量的情況下減少工程所需人員成為土建行業(yè)的燃眉之急［7］。作為3D打印技術(shù)的延伸，混凝土3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化的建筑工程，使工程速度提高10倍以上［8］;無需模板，成本低，環(huán)保;只需少量工作人員控制打印機運作，成為了土建行業(yè)改變現(xiàn)狀的有效途徑。此外，混凝土3D打印技術(shù)還特別適合打印不規(guī)則曲面建筑，其推廣還將推進現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)設計的個性化趨勢，催生出大量新型材料及其附屬產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)全球制造業(yè)的變革。

混凝土3D打印技術(shù)是將普通3D打印技術(shù)與水泥等固體無機物材料結(jié)合的新技術(shù)，適用于建筑施工方面，主要分為直接3DP打印技術(shù)、間接3DP打印技術(shù)和FDC打印技術(shù)。

3.1 直接3DP打印技術(shù)

直接3DP打印技術(shù)與激光選區(qū)熔化技術(shù)原理類似，不同的是前者沒有配備激光噴頭，取而代之的是能夠按一定頻率噴射液滴狀黏接劑的噴頭。噴頭在預先鋪好的混凝土粉末上按照目標零件各層的輪廓噴射黏接劑，然后層層疊加最終成形零部件。

直接3DP打印技術(shù)的代表當屬意大利籍Enrico Dini教授發(fā)明的 D －Shape［8］。D －shape是世界上第一臺以細粉料和膠凝料為成形材料的3D打印機，可以用建筑材料打印較大尺寸的建筑零部件(圖8)。噴頭是3D打印機的核心部件之一，由于面向大尺寸部件的制造，D－shape的噴頭是一個6m長的鋁制橫梁，橫梁上以20mm的間隔布置了300個小噴嘴，從而覆蓋了6m的印刷范圍。同時，為了確?！澳z水”能夠填補噴嘴間2mm的空白，噴頭能沿Y軸做輔助移動［9］。當噴頭梁沿X軸運動時，工作臺上的粉末會被刮刀刮平，然后滾筒組將會把分層均勻壓實。垂直方向則是由一臺交流電機控制，并采用增量式編碼器保證0.5mm的定位精度，每完成一層的打印后上升固定高度。最終經(jīng)過砂石和粘合物的層層堆積完成打印件，形成石質(zhì)目標零部件(如圖9所示)。

圖8 D－shape 3D打印機

圖9 D－shape打印的成品

3.2 間接3DP打印技術(shù)

與直接3DP打印原理相同，但是間接3DP打印技術(shù)對原有的打印工藝做出了改進。使用該技術(shù)在打印出空心墻體的同時由機器手臂往空心的墻體中加入鋼筋結(jié)構(gòu)以提高墻體強度。相比于傳統(tǒng)施工方案，間接3DP打印技術(shù)完成的建筑結(jié)構(gòu)節(jié)省了30%以上的材料，更輕、更環(huán)保。

南加州大學Behrokh Khoshnevis教授的建筑輪廓打印方法——輪廓工藝就是間接3DP打印技術(shù)的典型例子［10］。輪廓工藝的施工過程是(如圖10所示)在待建房屋兩側(cè)各設置一根軌道，然后用計算機控制龍門起重機負責Y軸向運動，起重梁上的噴頭負責X軸向運動，噴頭的懸掛式噴嘴負責Z軸向運動。開始打印時，噴頭兩側(cè)的結(jié)構(gòu)會打印空心墻壁，然后中間的噴嘴在空心墻體中灌入混凝土形成承重墻或者布置桁架狀結(jié)構(gòu)(用于填充保溫材料和預留各種基礎設施管道以及電氣設置的空間)。目前該項技術(shù)已經(jīng)能夠打印出長1.50m、高0.90m、厚0.15m的建筑部件，而且其承重強度也是傳統(tǒng)墻壁的3倍。

圖10 輪廓工藝施工原理

蘇州盈創(chuàng)歷經(jīng)12年研究，將建筑垃圾、工業(yè)垃圾、礦山尾礦、混凝土作為粉末底料，打印機噴嘴將黏結(jié)劑噴灑到房屋截面輪廓所對應的粉末區(qū)域，自下而上，逐步完成整個房屋的打印，而被噴灑的部分會在24h內(nèi)完成固化。盈創(chuàng)采用的也是間接3DP打印技術(shù)，故房屋墻壁采用中空結(jié)構(gòu)。在減輕建筑質(zhì)量的同時，也為房屋后期的水電布置預留了空間，大幅簡化了施工過程。而這些人性化設置都是在房屋3D模型的制作時完成的，省時省力。圖11所示為盈創(chuàng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的建筑構(gòu)件和用構(gòu)件組裝的房屋。

3.3 FDC 打印技術(shù)

FDC(fused deposition of concrete)是由FDM技術(shù)發(fā)展而來。市面上的FDM打印機尺寸普遍較小，打印材料以蠟、ABS、尼龍為主，主要面向模型和樣品的制作，而FDC打印技術(shù)是在增加和改變FDM打印機尺寸和結(jié)構(gòu)的基礎上，使用混凝土、石膏等由固體無機物粉末和特殊黏接劑混合而成的漿體作為打印材料，并通過擠出裝置層層打印部件的輪廓最終疊加成形［11］。

圖11 盈創(chuàng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的建筑構(gòu)件和用構(gòu)件組裝的房屋

英國拉夫堡大學的研究者基于FDC打印技術(shù)，開發(fā)了一種以混凝土為原材料的新型3D打印機。該設備的噴頭根據(jù)零部件輪廓擠出高性能混凝土混合材料，能進行混凝土面板的精確定位以及打印墻體中的孔洞結(jié)構(gòu)，使得大尺寸復雜建筑構(gòu)件的設計制作成為了現(xiàn)實，開創(chuàng)了外形獨特的混凝土建筑的新方向。

4 結(jié)束語

1)從長遠點的角度來看，3D打印技術(shù)極有可能成為未來制造業(yè)的發(fā)展方向，并且促進了傳統(tǒng)工業(yè)的變革，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

早期的制造業(yè)采用的是小作坊式的手工制造，生產(chǎn)率低下，只能滿足十分單一且簡單的需求。工業(yè)革命之后，機械自動化的大規(guī)模生產(chǎn)方式，大大提高了社會生產(chǎn)力，可以高效率、低成本地滿足社會需求。但是機械化的大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢卻局限于生產(chǎn)大量完全相同的產(chǎn)品，在個性化需求越來越多的當今，其局限性也愈加明顯。雖然3D打印技術(shù)的出現(xiàn)填補了傳統(tǒng)制造業(yè)的這一空缺，甚至成為了這一領(lǐng)域的革命性技術(shù)，但是目前的3D打印技術(shù)還處于發(fā)展的初級階段，并非無所不能。3D打印在大尺寸超復雜構(gòu)件和高成本難加工材料制造方面也有其明顯短板，所以3D打印在現(xiàn)在和將來一段時間內(nèi)應該與傳統(tǒng)制造技術(shù)形成優(yōu)勢互補，很難產(chǎn)生顛覆性影響。

2)當前，第三次工業(yè)革命的浪潮正席卷整個社會，作為代表性新興技術(shù)的3D打印成為了各行各業(yè)的焦點。在建筑行業(yè)，借助3D打印技術(shù)，大規(guī)模定制化生產(chǎn)將成為可能，甚至引領(lǐng)土木工程施工方式的變革?；炷?D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑工藝結(jié)合將逐步實現(xiàn)快速建造和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

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