趙錢(qián)孫，陳繼飛，吳桂峰，王超，宋鵬輝

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

0 引言

3D打印的英文全稱(chēng)為T(mén)hree dimensional printing，也稱(chēng)作快速成型技術(shù)，屬于增材制造中的一種形式[1]。其工作原理是先利用三維軟件或者激光掃描等方式進(jìn)行立體建模，再對(duì)三維模型進(jìn)行切片分層處理，最后利用打印設(shè)備逐層打印，從而一層一層累積成立體實(shí)物[2,3]。3D打印發(fā)展至今，其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，在工業(yè)制造與研發(fā)、航空航天、汽車(chē)研發(fā)制造、醫(yī)療器械制造等行業(yè)的應(yīng)用也開(kāi)始普遍[4]。在3D打印技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，3D打印設(shè)備也在不斷的進(jìn)步，而3D打印機(jī)作為3D打印的核心設(shè)備，其主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成，是集機(jī)械、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)[5]。本文在查閱大量文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上，主要對(duì)3D打印的打印設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)分析以及對(duì)未來(lái)發(fā)展的展望，同時(shí)還淺談3D打印工藝技術(shù)、耗材材料等方面。

1 3D打印研究進(jìn)展

3D打印作現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)致性技術(shù)之一，在近幾十年內(nèi)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都再進(jìn)行相關(guān)的研究[1]。3D打印技術(shù)也越來(lái)越多，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的3D打印技術(shù)有七類(lèi)，但其中主流的形式3D打印技術(shù)有:熔融沉積成型（FDM）、光固化成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)型（SLS）、分層實(shí)體制造成型（LOM）、三維噴繪打印(3DP)[6~9]。

（1）熔融沉積成型式3D打印是日常生活中最常用的打印方式，其耗材主要是絲狀。利用材料受熱變成液態(tài)或熔融態(tài)，冷卻后固化的原理，通過(guò)可加熱的噴頭機(jī)構(gòu)、原料輸送裝置和機(jī)電控制系統(tǒng)的精確控制，完成物體每一層的印刷，層層疊加后實(shí)現(xiàn)物體的三維效果。如圖1所示。FDM式打印機(jī)具有價(jià)格便宜，成型工藝簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，材料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，但其打印精度低，成品表面紋路明顯需進(jìn)一步處理。

圖1 熔融沉積成型式3D打印原理圖

（2）光固化成型式3D打印主要以液態(tài)的光敏樹(shù)脂作為耗材材料，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，使用紫外激光束誘發(fā)樹(shù)脂表面發(fā)生光聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)零件的一個(gè)薄層截面的固化。隨后工作臺(tái)下降浸入光敏樹(shù)脂液體中一個(gè)層面的厚度，使用紫外激光固化新的一層，如此反復(fù)逐層固化，最終實(shí)現(xiàn)零件的三維打印，其工作原理如圖2所示。SLA技術(shù)成型工藝簡(jiǎn)單，具有較高的打印精度，成型零件具有較高的力學(xué)性能，但其打印速度較慢，并要求操作者具有較高的操作技能，目前主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、以及模具開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。

圖2 光固化成型式3D打印原理圖

（3）選擇性激光燒結(jié)式，其打印耗材材料主要為金屬粉末材料，其打印方式均為使用激光或電子束等選擇性的逐層燒結(jié)耗材材料的固體粉末，最終實(shí)現(xiàn)固體粉末材料的三維實(shí)體制造，其原理如圖3所示。其中SLS與SLM技術(shù)使用激光為能量源略區(qū)別于EBM使用電子束轟擊金屬粉末，選擇性燒結(jié)固化具有耗材材料來(lái)源廣泛、燒結(jié)精度高、可成型制造復(fù)雜的零件且制造的零件具有較高的性能。但目前其耗材粉末制造工藝復(fù)雜、成本較高，且成型設(shè)備價(jià)格昂貴，對(duì)設(shè)備操控技能要求很高。目前我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域使用的耗材材料主要依賴(lài)于進(jìn)口，且缺乏高端技術(shù)人員，需要一定的時(shí)間來(lái)發(fā)展。

圖3 選擇性激光燒結(jié)式3D打印原理圖

（4）分層實(shí)體制造成型是早期的3D打印技術(shù)，打印原理與方式也最為直觀，如圖4所示。其使用“層”類(lèi)材料由激光切割后，材料向前滾動(dòng)后由激光按層要求切割，最后層層疊加而最終形成三維零件。LOM式打印方法相比于SLA、SLS來(lái)說(shuō)更適用于制造大型零件，如汽車(chē)制造等工業(yè)領(lǐng)域。供其打印的耗材材料一般為金屬薄板、塑料薄板以及紙質(zhì)材料等薄層材料，故LOM式3D打印在打印過(guò)程中材料的選取，不同類(lèi)型的黏結(jié)劑，以及送料方式均針對(duì)不同零件的需要作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時(shí)要考慮到成本。針對(duì)大型零件的制造LOM方法雖然具有一定的速度優(yōu)勢(shì)，但是將打印的零件從廢料中剝離困難，且耗材材料使用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重，打印零件的表面粗糙，具有明顯的階梯狀的紋路且容易開(kāi)裂。需進(jìn)一步加強(qiáng)材料與黏結(jié)劑的研究，從材料的成型與黏結(jié)劑的結(jié)合入手，改善現(xiàn)有打印過(guò)程中存在的問(wèn)題。

圖4 分層實(shí)體制造成型3D打印原理圖

（5）三維噴繪打印(3DP)是采用類(lèi)似噴墨打印機(jī)噴頭的工作方式如圖5，這種工藝與選擇性激光燒結(jié)十分類(lèi)似，只是將激光燒結(jié)過(guò)程改為噴頭黏結(jié)，光柵掃描器改為黏結(jié)劑噴射頭。其優(yōu)點(diǎn)是打印速度快、價(jià)格低；缺點(diǎn)是打印出來(lái)的產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度不高。

圖5 三維噴繪打印型3D打印原理圖

2 3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)研究

3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)通常都是根據(jù)打印材料、打印要求而設(shè)計(jì)，但是其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)都是有理可尋的。不同的3D打印技術(shù)都有著不同的結(jié)構(gòu)，但同為增材制造都是逐層制造，所以其原理類(lèi)似。對(duì)于3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)的研究不單單針對(duì)某一種打印技術(shù)，而應(yīng)該是通用的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)分析，有助于進(jìn)一步推動(dòng)3D打印機(jī)的發(fā)展。

2.1 3D打印機(jī)以坐標(biāo)系類(lèi)型分類(lèi)

常見(jiàn)的3D打印機(jī)為了完成三維立體打印，都需要以不同的方式在三維空間中進(jìn)行定點(diǎn)定位，這時(shí)就需要利用坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。而在3D打印機(jī)研究進(jìn)展中，常見(jiàn)的不外乎為笛卡爾坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)兩種。

笛卡爾坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，是在各種3D打印技術(shù)上都是十分普遍的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便制造，但其缺點(diǎn)也較明顯，由于采用直角坐標(biāo)系，在進(jìn)行弧面以及圓弧打印時(shí)，其只能通過(guò)圓弧插值的方法進(jìn)行打印，就會(huì)導(dǎo)致打印精度較差，打印的圓弧面會(huì)有階梯狀的凸起。常見(jiàn)的基于笛卡爾坐標(biāo)系的3D打印機(jī)涉及X、Y、Z三個(gè)向的運(yùn)動(dòng)，而噴頭與打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式可以歸納為3類(lèi)[10~11]。

（1）噴頭做X軸和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)獨(dú)立做Z軸方向運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)形式，噴頭較工作臺(tái)而言具有質(zhì)量小、體積小等特點(diǎn)，適合高精度緊湊型3D打印機(jī)。但打印機(jī)噴頭在XY平面做復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)影響噴頭的正常出料，從而導(dǎo)致打印質(zhì)量的下降。

（2）噴頭做X軸（或Y軸）和Z軸方向運(yùn)動(dòng)，打印平臺(tái)獨(dú)立做Y軸（或X軸）方向的運(yùn)動(dòng)?；蛘邍婎^獨(dú)立做X軸（或Y軸）方向運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)做Y軸（或X軸）和Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。這運(yùn)動(dòng)形式將Z軸與X軸（或Y軸）結(jié)合進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，具有較小的運(yùn)動(dòng)慣量，且打印噴頭和工作平臺(tái)所需的運(yùn)動(dòng)空間較小，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于小型家用3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）打印平臺(tái)作X軸和Y軸方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，噴頭僅在Z軸方向獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)形式的打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但對(duì)于Z軸運(yùn)動(dòng)控制精度要求較高，由打印平臺(tái)在XY平面的移動(dòng)需要較大的空間，且工作臺(tái)質(zhì)量較大，不能用于較快速度的打印。

極坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)是在平面內(nèi)由極點(diǎn)、極軸和極徑組成的坐標(biāo)系，由于其原理的特殊性，所以其打印結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化，從而使其運(yùn)行安靜，外形別致，把復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)完成的動(dòng)作都交給軟件端來(lái)完成，盡量保持機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單。其優(yōu)點(diǎn)在于可以用較小的3D打印機(jī)打印較大的物件，且可以較高精度的打印弧面，有打印速度快，穩(wěn)定性好和控制簡(jiǎn)單等[12]。缺點(diǎn)就是對(duì)軟件部分要求較高，需要大量計(jì)算。

圖6 極坐標(biāo)系（左）與直角坐標(biāo)系（右）3D打印機(jī)

2.2 3D打印機(jī)以外觀結(jié)構(gòu)分類(lèi)

目前商用3D打印機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)主要有三角型結(jié)構(gòu)、矩形桿式結(jié)構(gòu)、矩形盒式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)這四類(lèi)，不同的結(jié)構(gòu)有著各自的特點(diǎn)以及使用場(chǎng)景，如圖7所示。

圖7 不同外形結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)

三角型結(jié)構(gòu)是以三角形框架組成，框架呈屋頂形，外觀結(jié)構(gòu)小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，打印噴頭在支架中樣沿X、Z軸運(yùn)動(dòng)，在Y軸方向可以伸出較遠(yuǎn)，增加了Y軸方向的打印尺寸。而其缺點(diǎn)在于機(jī)體的制作精度較低，通常只能達(dá)到mm級(jí)，在打印時(shí)打印物體隨熱床在Y軸前后移動(dòng)容易導(dǎo)致黏附不牢。

矩形桿式結(jié)構(gòu)是一個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，通常由桿件與固定件搭建成框架結(jié)構(gòu)，打印噴頭安裝在框架內(nèi)部與工作平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)組合，完成三維立體的打印。矩形桿式結(jié)構(gòu)不但能媲美盒式結(jié)構(gòu)組裝精度，還同樣具有三角形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。但是其同樣具有打印過(guò)程抖動(dòng)較大，容易產(chǎn)生較大的位置誤差，打印過(guò)程難以維持工作臺(tái)的水平。

矩形盒式結(jié)構(gòu)是商業(yè)化最為普遍的形式，整個(gè)3D打印的發(fā)展來(lái)歷程來(lái)看，這種形式的機(jī)器也是發(fā)展較為完整的機(jī)器。整體安裝精度高，商業(yè)化的3D打印機(jī)通常都會(huì)采用這種結(jié)構(gòu)。通常采用矩形盒式結(jié)構(gòu)的FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，內(nèi)部多用同步帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)打印速度過(guò)快時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響打印精度。此種結(jié)構(gòu)不只是FDM技術(shù)的3D打印機(jī)會(huì)采用，其他類(lèi)型的打印技術(shù)也經(jīng)常采用。

并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)是一種閉鏈機(jī)構(gòu)，其中較為典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)有Delta結(jié)構(gòu)與Stewart結(jié)構(gòu)，其中Delta結(jié)構(gòu)是一種早先應(yīng)用于機(jī)械臂的并聯(lián)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。其通常采用三分支并聯(lián)臂，根據(jù)各個(gè)分支在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閲婎^在三維空間的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三維打印。該種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，而且打印精度高，打印速度快，缺點(diǎn)就在于需要大量的計(jì)算將各個(gè)分支的Z軸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閲婎^的運(yùn)動(dòng)。該種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能，只是對(duì)軟件要求較高，在3D打印機(jī)領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。

3D打印機(jī)都是通過(guò)打印平臺(tái)黏接固定打印零件，在Z軸方向逐層堆疊，從而形成三維立體結(jié)構(gòu)。不管是FDM技術(shù)還是SLS技術(shù)的其成型原理一致，所以其大體結(jié)構(gòu)存在相似性。傳統(tǒng)的3D打印機(jī)都是由外部框架支撐，以電機(jī)為動(dòng)力源，以同步帶或者絲桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，根據(jù)實(shí)際需求選擇噴頭與打印工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)形式，從而完成立體結(jié)構(gòu)的打印。常見(jiàn)的光固化打印技術(shù)與選擇性激光燒結(jié)技術(shù)這類(lèi)3D打印技術(shù)略有不同，其類(lèi)型的3D打印機(jī)沒(méi)有噴頭，但有材料供給的機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理類(lèi)似與噴頭，都是將材料送至打印區(qū)域。

傳統(tǒng)的3D打印機(jī)，在日漸發(fā)展的3D打印中已經(jīng)不能滿(mǎn)足打印需求，目前主流的3D打印機(jī)已經(jīng)從之前的三自由度機(jī)構(gòu)逐步向多自由度發(fā)展，3D打印機(jī)的噴頭機(jī)構(gòu)也同樣在進(jìn)行改變，從單口向多口發(fā)展。結(jié)構(gòu)也不在局限于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)有將5自由度的機(jī)械臂用于3D打印機(jī)，或者結(jié)合并聯(lián)結(jié)構(gòu)增加工作平臺(tái)的自由度從而實(shí)現(xiàn)多自由的打印。

3 3D打印機(jī)的發(fā)展方向與未來(lái)展望

3D打印隨著自身的發(fā)展，其在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也在不斷拓展。就目前來(lái)看，3D打印已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)等等領(lǐng)域都得到了實(shí)際的運(yùn)用[13~14]。但受限于目前3D打印技術(shù)的限制，無(wú)法在制造業(yè)中進(jìn)行大批量的運(yùn)用，普遍都是在方案設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、小批量模具制造等方面。3D打印從根本上改變了制造，使制造模式發(fā)生改變，但在如今的加工制造業(yè)需要的是高精度、高效率、多樣化的制造，雖然3D打印相較于傳統(tǒng)加工方式有著諸多優(yōu)勢(shì)，但依舊需要繼續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)如今在3D打印領(lǐng)域面臨著諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，需要逐步克服發(fā)展。在分析國(guó)內(nèi)外在3D打印的研究進(jìn)展，可以找到目前3D打印機(jī)的發(fā)展方向。其一，3D打印在朝著更高效、更精確發(fā)展，不可或缺的3D打印機(jī)也需要同步發(fā)展，所以3D打印機(jī)也朝著多自由度發(fā)展，通過(guò)增加自由度的形式可以有效提高打印精度，避免弧面打印時(shí)圓弧插值打印形成階梯狀結(jié)構(gòu)，減少甚至免去打印時(shí)所需的支撐結(jié)構(gòu)[15~17]。其二，實(shí)際打印中往往需要多種材料或者不同顏色等，單個(gè)噴頭的3D打印機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足需求，目前國(guó)內(nèi)外都在研究發(fā)展多噴頭3D打印機(jī)，以應(yīng)對(duì)發(fā)展需求[7,18~21]。其三，目前在增材制造中不僅僅發(fā)展3D打印，還在3D打印的基礎(chǔ)上發(fā)展4D打印，將打印出來(lái)的零件具有可控性，具有良好的發(fā)展前景[22~23]。

3D打印在21世紀(jì)具有劃時(shí)代的重大意義，從科研到生產(chǎn)都有著良好的發(fā)展。相應(yīng)的3D打印機(jī)也需要順應(yīng)3D打印技術(shù)的發(fā)展，從簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在將機(jī)械臂以及并聯(lián)臂等結(jié)構(gòu)運(yùn)用于3D打印機(jī)，都是為了滿(mǎn)足各種打印需求。在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，3D打印機(jī)也在順應(yīng)潮流，朝著先進(jìn)化、智能化發(fā)展，相信在不久的發(fā)展后，3D打印會(huì)進(jìn)入各行各業(yè)，進(jìn)入到家家戶(hù)戶(hù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品私人化、定制化的未來(lái)。