摘要：3D打印技術(shù)是將三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機(jī)把粉末狀、液狀或絲狀可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)。文章探討了3D打印的技術(shù)原理、步驟、常用材料、主要技術(shù)、發(fā)展及建議。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。該技術(shù)將會(huì)帶來(lái)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。

關(guān)鍵詞：3D打??；三維數(shù)字模型；平面切片；疊加成型；模型制造

引言

3D打印技術(shù)（ThreeDimensionsPrintingTechnology）是快速成形技術(shù)的一種，它是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機(jī)把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷或砂等可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)^[1]。該技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，是一種具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的個(gè)性化生產(chǎn)，可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形。并且可以實(shí)現(xiàn)首件的凈型成形，大大減小了后期的輔助加工量，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度。另外，由于其制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間大幅減少，使得單件試制、小批量生產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)^[2]。這些優(yōu)勢(shì)使3D打印成為一種潮流，目前已在建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶、鞋類、模型制造、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)將會(huì)帶來(lái)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革，同時(shí)它也是第三次工業(yè)革命中數(shù)字化制造的重要標(biāo)志。3D打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個(gè)具有廣闊前景的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

13D打印的技術(shù)原理及步驟

1.1原理

3D打印技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細(xì)胞組織等材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備，它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，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。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”相反，3D打印遵從的是加法原則，即“逐層疊加”原則，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，從而大幅降低了生產(chǎn)成本和縮短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，減少了對(duì)環(huán)境的影響，并且能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造，成型產(chǎn)品的密度也更加均勻。

圖13D創(chuàng)平常方法難以達(dá)到的結(jié)構(gòu)

1.2步驟

輔助設(shè)計(jì)人員使用計(jì)算機(jī)建模軟件制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，再根據(jù)模型自動(dòng)分析出打印的工序，之后按下“打印”鍵，3D打印機(jī)就可以把它們打印出來(lái)。3D打印與傳統(tǒng)打印原理是一樣的，只是所用的打印原材料不一樣，傳統(tǒng)打印用的是“墨水”，而用于3D打印的原材料則必須是能夠液化、粉末化、絲化的塑料、金屬、陶瓷或砂等，在打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái)，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

圖23D打印機(jī)

1.2.1三維設(shè)計(jì)

三維打印的設(shè)計(jì)過(guò)程是：先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維立體模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。3D設(shè)計(jì)軟件是3D打印的數(shù)據(jù)源頭，3D打印所需的模型是由3D設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的，國(guó)內(nèi)的3D設(shè)計(jì)軟件包括CAD、中望3D、CAXA等。雖然目前3D打印的專用軟件不少，但更為直觀、簡(jiǎn)單、實(shí)用的3D打印專用軟件還有待開發(fā)。

1.2.2切片處理

3D打印與激光成型技術(shù)一樣，采用了分層加工、疊加成型來(lái)完成3D實(shí)體打印。每一層的打印過(guò)程分為兩步^[3]，首先打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

圖33D打印過(guò)程

1.2.3完成打印

3D打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，但在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣，要獲得更高分辨率的物品可以先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過(guò)表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

圖4英國(guó)工程師“打印”出無(wú)人飛機(jī)

23D打印的常用材料及主要技術(shù)

2.13D打印的常用材料

2.1.1全彩色石膏材料

材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結(jié)合在一起，同時(shí)用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來(lái)的產(chǎn)品堅(jiān)硬，稍脆，但它是唯一一個(gè)可以打印全彩色的材^[4]，打印出來(lái)的樣品色彩亮麗，栩栩如生。

2.1.2工程塑料

工程塑料是被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。主要有以下三種。

2.1.2.1PC材料

它是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強(qiáng)度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。

2.1.2.2PC-ISO材料

它是一種通過(guò)醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復(fù)，牙科等專業(yè)領(lǐng)域。

2.1.2.3PC-ABS材料

它是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車，家電及通信行業(yè)。

2.1.3光敏樹脂

由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（250-300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，一般為液態(tài)。一般用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水等的材料。主要有以下三種。

2.1.3.1Somos19120材料

它是粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短周期。擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。

2.1.3.2Somos11122材料

它是半透明材質(zhì)，類ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學(xué)研究、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。

2.1.3.3SomosNext材料

它是白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的部件擁有最先進(jìn)的剛性和韌性結(jié)合。

3D打印常用的材料還有尼龍材料、金屬材料、石蠟材料、橡膠材料、生物材料等。

2.23D打印的主要技術(shù)

2.2.1SLA立體光固化成型技術(shù)

該技術(shù)的原理是用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的“光”聚焦到“光固化材料”表面，從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態(tài)光敏樹脂。特點(diǎn)是成形速度較快，精度相對(duì)較高，外形表面非常好。主要用于制造多種模具、模型。

2.2.2FDM容積成型技術(shù)

其原理是將絲狀材料通過(guò)加熱器的擠壓頭熔化成液體，微噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在成型的“作品”上，冷卻后便完成一層圖形的制作。使用的材料是絲狀材料(石蠟、金屬、工程塑料、低熔點(diǎn)合金絲)。特點(diǎn)是使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低，速度快，復(fù)雜程度原型僅需要幾個(gè)小時(shí)即可成型。主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型?/p>

2.2.3LOM分層實(shí)體制造技術(shù)

其原理是激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓，切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有熱敏膠的纖維紙等。特點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。

2.2.43DP三維粉末粘接技術(shù)

其原理是先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過(guò)程，層層疊加，獲得最終工件。使用的材料是粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點(diǎn)是成型速度快、無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，目前其他技術(shù)比較難以實(shí)現(xiàn)。主要應(yīng)用在專業(yè)領(lǐng)域。

2.2.5SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

其原理是先鋪一層粉末材料，控制激光束有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，使粉末材料溫度升至熔化點(diǎn)，被燒結(jié)部分便固化形成圖形，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過(guò)程，直至完成整個(gè)模型成型。使用的材料是金屬粉末材料(Ni基合金混銅粉、Ti、Fe、Cu粉末等)。特點(diǎn)是成品精度好、強(qiáng)度相對(duì)較高，最主要的優(yōu)勢(shì)在于金屬成品的制作。主要應(yīng)用在高端制造領(lǐng)域。

33D打印技術(shù)的發(fā)展及建議

3.1發(fā)展

3D打印技術(shù)最早可追溯至1984年，世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)誕生于1986年，引起關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)則是近幾年的事。美國(guó)政府已將人工智能、3D打印、機(jī)器人作為重振美國(guó)制造業(yè)的三大支柱，其中3D打印是第一個(gè)得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。我國(guó)工信部也正在組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略、3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)財(cái)稅政策。目前，華中科技大學(xué)史玉升科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年的努力，已研發(fā)出全球最大的“3D打印機(jī)”，這一“3D打印機(jī)”可加工零件長(zhǎng)寬最大尺寸均達(dá)到1.2米。與此同時(shí)，民用3D打印機(jī)市場(chǎng)也在快速崛起，3D打印機(jī)制造廠商也在不斷增多^[5]。

目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制及快速打印成形；個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)及快速打印制造；模型制造；醫(yī)療行業(yè)；建筑業(yè)；汽車制造業(yè)；航空航天；食品產(chǎn)業(yè)；教育科研；軍事等行業(yè)中^[6]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象，最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來(lái)顛覆式的改變。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項(xiàng)技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補(bǔ)。

3.2建議

為了使3D打印技術(shù)得到更加迅速的發(fā)展，國(guó)家可以采取財(cái)稅金融政策上積極支持、積極引導(dǎo)建立行業(yè)協(xié)會(huì)，鼓勵(lì)研發(fā)，加強(qiáng)教育培訓(xùn)等措施，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印的社會(huì)化推廣。

3.2.1制定數(shù)字化制造規(guī)劃，促進(jìn)3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展

建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意、工業(yè)設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財(cái)稅金融政策上，鼓勵(lì)企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用3D打印，支持3D打印設(shè)備的進(jìn)出口。

3.2.2加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會(huì)建設(shè)，推動(dòng)3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

積極引導(dǎo)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機(jī)及材料研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)的平臺(tái)加強(qiáng)研討和交流，共同推動(dòng)3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進(jìn)3D打印技術(shù)發(fā)展的市場(chǎng)平臺(tái)建設(shè)，包括3D打印電子商務(wù)平臺(tái)、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制、3D打印及周邊項(xiàng)目投融資機(jī)制等，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.2.3加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平

設(shè)立專項(xiàng)基金，重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績(jī)效評(píng)估體系，鼓勵(lì)各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強(qiáng)對(duì)3D打印產(chǎn)學(xué)研合作的支持，特別對(duì)實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場(chǎng)銷售、社會(huì)推廣上給予政策支持。

3.2.4加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印社會(huì)化推廣

將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系，培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會(huì)、博覽會(huì)、論壇等組織形式進(jìn)行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓(xùn)。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動(dòng)中心等公共機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心，推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

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