供稿|余冬梅，郭碩，李小康，郭征，張建斌 / YU Dong-mei, GUO Shuo, LI Xiao-kang, GUO Zheng,ZHANG Jian-bin

內(nèi)容導(dǎo)讀

市場需求決定了生產(chǎn)和加工導(dǎo)向,隨著社會的發(fā)展和生活需求質(zhì)量的提高，3D 打印技術(shù)也不斷革新。3D 打印融合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，涌現(xiàn)出的3D 打印產(chǎn)品(尤其北京冬奧會產(chǎn)品)更具溫度和情懷，體現(xiàn)了智能科技與人文藝術(shù)的完美融合。本文綜述了CAD、CAM、STL、光聚合3D 打印、熱敏3D 打印等3D 打印科技前沿技術(shù)，介紹了北京冬奧會中的3D 打印產(chǎn)品：奧運(yùn)火炬、“雪花”飾物、雪車頭盔、速滑冰鞋以及滑雪機(jī)器人等。

3D 打印設(shè)計(jì)術(shù)語

3D 打印融合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)。對3D 打印領(lǐng)域的操作者來說，同步更新并科普3D 打印相關(guān)軟件、先進(jìn)技術(shù)以及工具術(shù)語不可或缺，數(shù)控機(jī)床上目前已使用了一些新興技術(shù)和工具。其中3DP(Three dimension printing)指3D 打印，CNC (Computer numerical control)是指計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床。CAD——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design)，是計(jì)算機(jī)軟件工具的一種，用于創(chuàng)建二維或三維設(shè)計(jì)模型。以二維設(shè)計(jì)優(yōu)勢占主導(dǎo)的CAD 在進(jìn)入3D 打印時(shí)代之前，已廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)和制造業(yè)(圖1)。

圖1 OnShape CAD 軟件的工作界面

CAM— 計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing)，借助計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字化(G 代碼指令) 控制刀具運(yùn)行的工作路徑來完成工件的加工制造。計(jì)算機(jī)通過識別和解讀2D 的文件格式能確定工件需要被加工的部位以及刀具的運(yùn)行方向和工作速度等制造工藝參數(shù)。G 代碼是控制計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)的運(yùn)行指令。目前的設(shè)計(jì)軟件幾乎已代替人實(shí)現(xiàn)了G 代碼編寫生成。設(shè)定好的G 代碼指令能夠精準(zhǔn)控制刀具工作的自由度(包括進(jìn)刀速度、行進(jìn)方向、加工深度、轉(zhuǎn)動角度和方向)以及其他的開關(guān)定時(shí)設(shè)置和傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測。G 代碼發(fā)送器軟件將生成的G 代碼指令通過USB 傳輸?shù)綑C(jī)器中控制相應(yīng)運(yùn)行。目前大部分商用軟件所使用的G 代碼發(fā)送器軟件都已集成封裝，僅有少量仍使用開源工具鏈?！熬W(wǎng)格”編輯器將設(shè)計(jì)好的三維模型轉(zhuǎn)換成STL 格式后獲得三角形布局。網(wǎng)格編輯器允許用戶通過平移、拉伸、收縮或拖拽等方式直接編輯網(wǎng)格上的點(diǎn)，從而調(diào)控三維模型的外觀設(shè)計(jì)。

Open SCAD 軟件可用于三維模型的生成，各部件的復(fù)雜組裝，以及參數(shù)化的設(shè)計(jì)。對比傳統(tǒng)的CAD 軟件，Open SCAD 軟件的優(yōu)勢是無需繪圖，通過程序定義設(shè)計(jì)，由編譯器將設(shè)計(jì)模型化。

3D 打印通過片狀層疊，逐層累加得以實(shí)現(xiàn)。切片器軟件(Slicer)負(fù)責(zé)將設(shè)計(jì)好的3D 打印模型分割成逐個(gè)單層(即單次打印完成的薄層，而單層厚度取決于打印精度)。切片器軟件分為閉源軟件和開源軟件兩種，它們輸出的G 代碼指令能夠精準(zhǔn)控制打印路徑、速度和溫度。

STL 是3D 打印和數(shù)控機(jī)床“2.5D”銑削的常見格式。圖2 所示的STL 格式文件中構(gòu)建的3D 對象通過一系列三角形來勾勒模型的表面輪廓。STL 格式的模型尺寸沒有單位(1 個(gè)單位量既可以表示1 mm，也可以表示1 cm)，3D 打印用戶對該格式的文件生成方式要引起重視。

圖2 STL 文件界面

3D 打印技術(shù)的革新

根據(jù)打印材料的物理屬性(光或熱)，衍生出的新型3D 打印技術(shù)有光聚合3D 打印[2]和熱敏3D 打印，為增材制造領(lǐng)域增添了創(chuàng)造活力與潛力。

光聚合3D 打印

根據(jù)固化方式，光聚合(光固化)3D 打印分為：使用激光器的立體光刻技術(shù)(SLA)、使用數(shù)字投影的數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)、利用阻氧技術(shù)的連續(xù)數(shù)字光處理技術(shù)(CDLP) 或連續(xù)液體界面制造技術(shù)(CLIP)。

立體光刻技術(shù)(SLA)：以SLA 技術(shù)為原理的打印機(jī)(圖3)通常采用將打印平臺浸沒在含有光固化樹脂的容器槽中的形式。激光束根據(jù)STL 切片信息在工作區(qū)域中進(jìn)行掃描。當(dāng)激光器掃描一層結(jié)束后，打印平臺根據(jù)裝置的使用方向(自下而上或自上而下)沿Z向下降或升高一個(gè)層厚，激光器按照新一層的切片信息進(jìn)行掃描固化。如此往復(fù)，層層堆積，直到3D 模型打印完成。特別注意，SLA 的打印精度主要與激光束的直徑，即光斑大小有關(guān)。

圖3 SLA 打印機(jī)的組成部件示意圖

數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)：DLP 技術(shù)與SLA 技術(shù)的不同之處為固化方式(圖4)。SLA 采用激光光源進(jìn)行固化而DLP 采用數(shù)字投影儀進(jìn)行固化。與SLA 相比，DLP 打印更快，因?yàn)镾LA 采用點(diǎn)曝光而DLP 采用面曝光。DLP 打印精度主要取決于數(shù)字投影機(jī)的分辨率。

圖4 DLP 打印機(jī)的組成部件示意圖

連續(xù)數(shù)字光處理技術(shù)(CDLP)/連續(xù)液體界面制造技術(shù)(CLIP)：CDLP/CLIP 技術(shù)是基于DLP 的創(chuàng)新技術(shù)( 圖5) 。 與SLA 和DLP 技 術(shù) 不 同 的 是，CDLP/CLIP 采用帶有透氧窗口而不是普通玻璃窗口。該透氧窗口能夠形成一定厚度的“死區(qū)”，樹脂容器底的液態(tài)樹脂由于阻氧而保持穩(wěn)定的液面，從而保證固化的連續(xù)性。這也提高了打印部件的分辨率，并降低了由于剝離力導(dǎo)致打印失敗的可能性。

圖5 CDLP/CLIP 機(jī)器及其組件示意圖

熱敏3D 打印

熱敏3D 打印是將安裝有半導(dǎo)體加熱元件的打印頭在加熱的同時(shí)接觸熱敏打印紙，打印出預(yù)先設(shè)定的圖案，類似于熱敏式傳真機(jī)。加熱使圖像在膜中形成的化學(xué)反應(yīng)受溫度調(diào)控，高溫會加速化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，而低溫會延緩化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。熱敏打印紙，在溫度低于60 ℃時(shí)需要很長時(shí)間(甚至幾年)才能發(fā)生變色化學(xué)反應(yīng)(變成深色)；在溫度高于200 ℃時(shí)，變色反應(yīng)瞬間(幾微秒內(nèi))完成。

3D 打印冬奧會產(chǎn)品

將有溫度、有情感的設(shè)計(jì)融入運(yùn)動類、生活陪伴類產(chǎn)品和機(jī)器人形態(tài)中，這是中國探索現(xiàn)代人文藝術(shù)深度融入現(xiàn)代科技與人工智能的創(chuàng)新應(yīng)用。2022 年北京冬奧會中亮相的3D 打印產(chǎn)品有奧運(yùn)火炬、“雪花”飾物、雪車頭盔、速滑冰鞋以及滑雪機(jī)器人等[4]，各種高科技產(chǎn)品受到運(yùn)動員的極大喜愛。

火炬“飛揚(yáng)”由火炬外殼、內(nèi)飄帶、燃燒系統(tǒng)組成。3D 打印火炬內(nèi)飄帶(圖6)，材質(zhì)為鋁合金，通過測試對比多種3D 打印材料，優(yōu)化火炬內(nèi)部結(jié)構(gòu)成形工藝，驗(yàn)證和改進(jìn)燃燒器3D 打印工藝，最終通過HIT-M290 三維金屬3D 打印機(jī)進(jìn)行打印完成。

圖6 北京冬奧會火炬—“飛揚(yáng)”以及3D 打印的火炬內(nèi)飄帶

為了裝扮并布置冬奧氛圍，北京市西單路口西北角“開放冬奧”主題花壇的“雪花”是3D 打印的經(jīng)過多道復(fù)雜工序處理的城市固廢材料(圖7)。3D 打印的仿真雪花表面具有凹凸不平的顆粒感，最大的一片雪花直徑達(dá)1.7 m。具體工序?yàn)榉治龉虖U成分，去除有害物質(zhì)，回收可用之物并粉碎成末，根據(jù)屬性和需求匹配3D 打印物品。以園林飾物“雪花”為例，適宜匹配碎石磚塊等建筑垃圾為制作原料，將黏合劑與固廢粉末混合均勻后加入打印機(jī)中完成制備工藝。變廢為寶的大膽創(chuàng)作讓人不由自主聯(lián)想到：廢物真是放錯位置的寶藏，這也體現(xiàn)了綠色、低碳和環(huán)保的奧運(yùn)理念。

圖7 “雪花”飾物

圖8所示3D 打印的雪車頭盔是通過3D 掃描獲取運(yùn)動員的頭部數(shù)據(jù)，綜合3D 設(shè)計(jì)和打印技術(shù)，根據(jù)每一位運(yùn)動員的實(shí)際需求個(gè)性化定制而成。選用思看科技iReal 2E 三維掃描儀，采用非接觸式不貼點(diǎn)拼接技術(shù)，完成運(yùn)動員頭部三維數(shù)據(jù)的獲取。東莞理工學(xué)院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)再根據(jù)運(yùn)動員的頭型，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化頭盔定制，其緩沖層設(shè)計(jì)采用了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。頭盔外殼由中國航天T800 碳纖維和純碳纖維材料加工而成，內(nèi)襯采用華曙高科Flight 光纖雙激光燒結(jié)技術(shù)結(jié)合萬華化學(xué)新型TPU 材料打印而成。3D 打印的碳纖維外殼使得雪車頭盔質(zhì)量(約1.1 kg)比國家隊(duì)之前使用的傳統(tǒng)頭盔減少了500 g，有效地為運(yùn)動員減少了負(fù)重。

圖8 雪車頭盔

為了扭轉(zhuǎn)全球知名碳纖維速滑冰鞋均由歐美公司壟斷生產(chǎn)的局面，我國成功研制出第一代高性能碳纖維復(fù)合材料速滑冰鞋。與先前國家隊(duì)使用的高端速滑冰鞋相比，碳纖維冰鞋重量減輕3%~4%，冰鞋剝離強(qiáng)度提升7%，這一突破將推進(jìn)冰鞋的迭代。通過采集速滑運(yùn)動員腳型和足底壓力數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件建立運(yùn)動員腳部模型，采用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)冰鞋鞋楦的快速定制(圖9)。選用高性能碳纖維復(fù)合材料，在提升冰鞋性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化制造。

圖9 速滑冰鞋

圖10所示的滑雪機(jī)器人亮相北京冬奧會。這款滑雪機(jī)器人的外殼及四肢的覆蓋件均采用SLA 3D 打印技術(shù)制造，材料為光敏樹脂材料，并經(jīng)過后期噴涂上色再安裝于機(jī)器人上。

圖10 滑雪機(jī)器人

結(jié)束語

基于材料屬性特征，3D 打印機(jī)及其產(chǎn)品正發(fā)生著因物打印的靈活化調(diào)控，甚至使用廢棄物進(jìn)行相宜產(chǎn)品的打印，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)再利用的低碳社會，倡導(dǎo)了低碳環(huán)保和綠色制造的環(huán)境友好理念。