汪瀚寧++吳琴++秦學文

摘 要： 3D打印技術是一種利用三維數(shù)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(yè)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(shù)控成型系統(tǒng)，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(chǎn)品的制造方法[1]。這種數(shù)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(shù)字化文件生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

（二）3D打印的過程

對于大多數(shù)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(nèi)容的普通打印機，事實上傳統(tǒng)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(jīng)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(shù)據(jù)，并且以數(shù)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(shù)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(yè)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(jù)工作原理的不同，有多種實現(xiàn)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(shù)字制造：借助CAD等軟件將產(chǎn)品結構數(shù)字化，驅(qū)動機器設備加工制造成器件；數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡進行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)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(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更具優(yōu)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(xiàn)。

快速制造：3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)制造的綠色可持續(xù)發(fā)展。

二、3D打印常見成型工藝

現(xiàn)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(tài)光敏樹脂，當特定波長與強度的激光照射到液態(tài)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(yè)，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(tǒng)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(tǒng)在全球已安裝快速成型系統(tǒng)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(qū)熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每種技術都有各自的優(yōu)缺點，應根據(jù)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(yè)，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(yè)，只需要這些行業(yè)提供3D數(shù)據(jù)模型或原型，3D打印機均可以加工。其中這些行業(yè)中對3D打印機需求較大的包括政府、航空航天、醫(yī)療設備、高科技研發(fā)、教育業(yè)及制造業(yè)。

醫(yī)療行業(yè)：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(fā)展中，在醫(yī)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(chǎn)品研發(fā)：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(chǎn)成本，減少產(chǎn)品改良時間，更適合產(chǎn)品研究開發(fā)。

建筑設計：在建筑業(yè)，工程師和設計師們已經(jīng)開始使用3D打印機打印建筑模型，這種方法快速、低成本、環(huán)保，同時制作精美。完全符合設計者的要求，切實節(jié)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(nèi)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(tǒng)的制造方法不僅難以實現(xiàn)，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(yǎng)維修方面，通常需要大量備件保證裝備全壽命的保養(yǎng)維修或戰(zhàn)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(jīng)濟成本，縮短維修保養(yǎng)周期[2]。

四、3D打印技術的發(fā)展趨勢

2016年4月5日，Wohlers Associates公司發(fā)布全球3D打印行業(yè)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(jīng)濟學人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將“3D打印技術作為第三次工業(yè)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(yè)，而是要取代幾乎所有的制造業(yè)。

3D打印技術代表著生產(chǎn)模式和先進制造技術發(fā)展的趨勢，雖然現(xiàn)在還面臨許多挑戰(zhàn)和難題，但是它使制造工藝發(fā)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(chǎn)的模式，節(jié)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(wǎng)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(xiàn)大的飛躍，從而帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

D打印技術向日常消費品制造方向發(fā)展。據(jù)Wohlers Associates發(fā)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(xiàn)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(yè)設計、產(chǎn)品創(chuàng)意等方面有廣泛的前景[5]。

D打印技術向功能零件制造發(fā)展。3D打印技術優(yōu)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(yī)療等領域具有廣闊發(fā)展空間。進一步的發(fā)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(fā)展。

D打印技術向智能化裝備發(fā)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(yōu)化。進一步提高軟件的智能化和自動化，能夠降低行業(yè)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(tǒng)制造技術仍有很大的空間，3D打印技術應該與傳統(tǒng)制造技術相互補充、支撐。隨著材料科學的發(fā)展和制造精度的提高，3D打印技術以其制造原理的優(yōu)勢將會成為潛力巨大的制造技術。與傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(fā)展。

參考文獻：

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g發(fā)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(chǎn)業(yè)革命[J].經(jīng)濟學人（英），2012-04-21.

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