3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馬曉偉 劉佳 李靜 梁芳 張?zhí)熘?/p>

1 3D打印主要成形技術(shù)分析

1.1 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

3D打印技術(shù)，可以追溯到1976年噴墨打印機(jī)的發(fā)明。1984年，Charles Hull將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速原型制造領(lǐng)域，開啟了3D打印的帷幕。自20世紀(jì)80年代以來，3D打印技術(shù)已經(jīng)在全球受到關(guān)注，開始走進(jìn)人們的視野和生活中。如今，3D打印技術(shù)已在許多方面得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用，如制造業(yè)、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天和軍事等領(lǐng)域。

根據(jù)打印技術(shù)特點(diǎn)，3D打印可分為：

①立體光刻（SL）。激光掃描并曝光液態(tài)光敏樹脂，聚焦光斑處樹脂反應(yīng)固化，然后工作平臺至下一深度，保持液面處于焦平面，逐漸成型。

②立體平版印刷技術(shù)。這種技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成一個(gè)薄層，一層固化好后，工作臺下移一個(gè)層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實(shí)體模型。主要用于復(fù)雜、高精度的精細(xì)工件快速成型。

③立體光固成型。光敏聚合物噴出后由紫外光按設(shè)定程序區(qū)域性迅速固化，可直接在前一支撐層上成型，最后將膠裝支撐材料清晰除去，適合制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)，每層厚度可精確到0.16μm。

④聚氯乙烯（PVC）塑料燙印復(fù)膜。切割刀根據(jù)橫截面數(shù)據(jù)逐層切割并以此堆積，最后拔除底層的PVC材料；機(jī)器價(jià)格與制作成本相對較低。

⑤三維噴繪打印（3DP）。軟件將3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件分割為薄片，截面處鋪上粉末。以噴墨方式涂上連接體，逐層打印形成三維模型。

⑥數(shù)字光處理（DLP）。對光固化性丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）樹脂表面進(jìn)行曝光，每層曝光僅數(shù)秒。

3D打印技術(shù)的工作原理是在計(jì)算機(jī)上使用電腦建模軟件（如3Dmax等）塑造虛擬3D立體模型，然后將模型文件轉(zhuǎn)換成與3D打印機(jī)匹配的格式，然后3D打印機(jī)根據(jù)切片程序?qū)⒛Ｐ驼w劃分為很多個(gè)橫截面。最后，3D打印機(jī)通過將橫截面堆疊成3D模型，完成打印工作。

3D打印技術(shù)與計(jì)算機(jī)建造模型技術(shù)相互結(jié)合，極大加快了信息化制造技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)定制化和數(shù)字化方向發(fā)展的進(jìn)度，已經(jīng)逐漸成為我國國民經(jīng)濟(jì)中不可或缺的一部分。復(fù)合材料和金屬材料等現(xiàn)有材料的打印技術(shù)是3D打印發(fā)展的重要方向，也是其他許多生產(chǎn)制造領(lǐng)域定制產(chǎn)品的主要工作形式[1]。

1.2 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)避免了傳統(tǒng)制造業(yè)的切割程序，不需要通過模具進(jìn)行制造，加工速度也較快，生產(chǎn)周期相對較短，更重要的是3D打印在制造體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體時(shí)具有很大優(yōu)勢。通過一體成型的打印技術(shù)，不需要二次加工，通過與電腦聯(lián)機(jī)結(jié)合操作，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和遠(yuǎn)程操控。

3D打印技術(shù)中最具代表性的是熔融沉積成形技術(shù)，其工作原理是將熱熔長絲材料通過送絲裝置送入噴嘴，在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，將噴嘴加熱擠出已經(jīng)軟化的材料，開始沿著物體的輪廓移動，直到半流動材料的填充和凝固完成，形成三維印刷產(chǎn)品。例如，對于塑料產(chǎn)品的三維打印，通過對三維打印機(jī)的噴嘴加熱使塑料熔化，塑料在擠出后快速冷卻，并與周圍的材料粘合和覆蓋。現(xiàn)階段熔融沉積成形技術(shù)（FDM）可以對金屬、石蠟、ABS、聚乳酸（PLA）、人造橡膠等進(jìn)行打印，生產(chǎn)出的3D模型、機(jī)械零部件、日常用品等，被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)，F(xiàn)DM技術(shù)具有成本低、材料廣泛、原料利用率高、污染小等優(yōu)勢[2]。

2 3D打印需求現(xiàn)狀

2.1 研究現(xiàn)狀

截至目前，已經(jīng)根據(jù)3D打印制造原理產(chǎn)生了許多種制造技術(shù)，并且根據(jù)實(shí)際還分出了很多材料。3D打印常用材料有環(huán)保材料PLA、不銹鋼、鈦合金、鋁材料、石膏材料、橡膠材料、耐用尼龍材料等。實(shí)現(xiàn)3D打印的主要技術(shù)類型有光聚合成型技術(shù)、粒狀材料成型技術(shù)、擠出成型技術(shù)、線材成型技術(shù)、層壓成型技術(shù)和粉末層噴嘴技術(shù)3D打印成型技術(shù)。

以建筑行業(yè)為例，從設(shè)計(jì)的角度看：建房不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程，每個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)師在3D模型中完成自己的設(shè)計(jì)，也許有一天，大家可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載想要的建筑模型。對于建筑造型而言，在傳統(tǒng)建筑中難以實(shí)現(xiàn)的表面建模在3D打印中則變得更為簡單，這對于追求自由造型的建筑師來說絕對是個(gè)好消息。必須出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。例如使用有限元分析，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能不再適用于打印建筑物，需要開發(fā)適合3D打印在建筑中應(yīng)用的的行業(yè)規(guī)范，新的施工過程需要新的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)同時(shí)開發(fā)新的建筑檢測技術(shù)。

2.2 材料的探索

在材料方面，已經(jīng)開始探索陶瓷和粘土等材料的使用，為了滿足3D打印建筑的需求，未來可能會出現(xiàn)許多特殊材料，如纖維材料、復(fù)合材料、化學(xué)材料和智能材料。材料性能要求將會不斷得到提高，材料科學(xué)研究向著微觀方向發(fā)展，新材料更符合建筑材料標(biāo)準(zhǔn)。以混凝土為例，首先，混凝土的原材料將變得更加廣泛。例如，膠凝材料可以使用特殊的水泥，樹脂，鎂膠合材料等；粗、細(xì)骨料的質(zhì)量要求會更高，以滿足3D打印的需要。混凝土必須具有更好的流動性，并且能夠快速凝結(jié)在空氣中的自支撐。外加劑可能會發(fā)生根本變化，它們在具體系統(tǒng)中的作用和作用機(jī)制也完全不同。其次，在縱橫比設(shè)計(jì)中，可能需要新的理論來支持，混凝土的性能發(fā)生了巨大的變化，硬化和收縮性能發(fā)生了根本性的變化[3]。

在3D打印行業(yè)目前主要的材料也有很多，例如工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料和金屬材料等。其中工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS、PC類材料、PLA、尼龍類材料等，工程塑料指被用做工業(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。此外橡膠材料和金屬材料也分別以其各自的優(yōu)點(diǎn)在騎車、醫(yī)療和金屬制造等行業(yè)發(fā)揮著不可限量的大作用。

2.3 3D打印對社會生活的影響

3D打印建筑技術(shù)集成了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、建筑技術(shù)、建筑設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科，整合需要協(xié)調(diào)發(fā)展。3D打印建筑非常適合緊急住房和貧困群體，未來開發(fā)的打印機(jī)可以真正創(chuàng)造適合人們居住的房屋。在遭受自然災(zāi)害后，建筑機(jī)器可以快速打印出房屋，并可以自動安裝各種設(shè)施，這些設(shè)施優(yōu)于救災(zāi)帳篷和活動在功能和力量方面。未來的3D打印建筑也可以滿足定制客戶的需求，特別是對于具有復(fù)雜和不規(guī)則外觀的建筑物和結(jié)構(gòu)，相對來說3D打印具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

3D打印在個(gè)性工藝品創(chuàng)作方面，可以以極低的成本和較快的制作速度輕松地滿足人們的創(chuàng)作思路和需求，能在藝術(shù)創(chuàng)作之路上為人們提供更多的思路和更強(qiáng)大的幫助。另外在教育方面，3D打印可以讓學(xué)生們能以更為直觀的角度觀察到一個(gè)事物從無到有的制作過程，激發(fā)孩子們的創(chuàng)造力，3D打印將會是引領(lǐng)時(shí)代進(jìn)步和社會新變革的主要技術(shù)力量。

3 3D打印技術(shù)應(yīng)用趨勢

3.1 3D打印技術(shù)在手工制造業(yè)方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在制造業(yè)中得到最廣泛的使用。從3D打印輪船汽車、3D打印機(jī)器人以及打印家具，到小型的3D打印螺絲螺母、工業(yè)零件和手機(jī)殼等，所有這些都可以通過3D打印進(jìn)行堆疊。2014年，美國康奈爾大學(xué)的創(chuàng)意機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室HodLipson制造了微處理器、電池和機(jī)器人連接器等部件，并且能夠完全組裝輕型機(jī)器人[4]。

3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也具有一定的優(yōu)勢，對于一些尺寸較小、形狀較為復(fù)雜的零部件來說，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，這對企業(yè)優(yōu)化精密零部件制造流程、提高企業(yè)利潤會產(chǎn)生積極影響。除了以上這些方面外，3D打印模具在提升精密零部件產(chǎn)品的性能、實(shí)現(xiàn)精密零部件產(chǎn)品的個(gè)性化制造等方面也表現(xiàn)突出。

對于一些尺寸較小、形狀較為復(fù)雜的零部件來說，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，這對企業(yè)優(yōu)化精密零部件制造流程、提高企業(yè)利潤會產(chǎn)生積極影響。除了以上這些方面外，3D打印模具在提升精密零部件產(chǎn)品的性能、實(shí)現(xiàn)精密零部件產(chǎn)品的個(gè)性化制造等方面也表現(xiàn)突出。企業(yè)可以借助3D打印來優(yōu)化精密零部件的制造工具，使相應(yīng)的工具在設(shè)計(jì)時(shí)更多地考慮人體工學(xué)，以提高其操作舒適性和實(shí)用性，如精密零部件模具。通過優(yōu)化模具等制造工具的設(shè)計(jì)，精密零部件的廢品率將進(jìn)一步降低。

3.2 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)可用于快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建人體器官模型。在器官模型的幫助下，醫(yī)生可以診斷患者的病情。同時(shí)，人體器官模型可以幫助醫(yī)生充分進(jìn)行術(shù)前討論，找到最佳的手術(shù)治療方案，從而有效縮短手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于醫(yī)療模型的易用性，發(fā)達(dá)國家的市場正在迅速擴(kuò)大。除醫(yī)療模型外，還可以使用3D打印制造高效藥物。由于藥物的大小和形狀的高度相似性，以及成型過程的易于移植，應(yīng)用前景廣闊。美國科學(xué)家已經(jīng)成功地使用3D打印快速原型技術(shù)生產(chǎn)口服給藥的控釋片劑。

3D打印還可以打印出人造骨骼，采用了能夠分解的工程材料作為打印機(jī)材料，通過3D打印機(jī)打印出帶有活性因子和疏松多孔的人造骨骼。并且將人造骨骼植入生物體內(nèi)后，通過一段時(shí)間的分解，鈣化物質(zhì)居然可以被活體完全吸收并形成新的骨骼，這些都已經(jīng)在動物實(shí)驗(yàn)中得到了充分的驗(yàn)證[5]。英格蘭一位女童裝上了3D手掌，一位農(nóng)民工則裝上了一塊頭蓋骨，甚至澳大利亞公司CSIRO可以為病人量身定做鈦制的胸骨和肋骨，從而為其打造一個(gè)3D胸腔。美國生物科技公司Organovo就曾經(jīng)利用細(xì)胞3D打印技術(shù)，在細(xì)胞培養(yǎng)基座中打印出肝臟所需的細(xì)胞組織，經(jīng)過在器皿中的培養(yǎng)，就可以生長為正常形狀的肝臟并移植到人體。

3.3 3D打印技術(shù)在家庭消費(fèi)娛樂方面的應(yīng)用

最開始的3D打印機(jī)大多數(shù)設(shè)備功能單一，主要用于工程建設(shè)和醫(yī)藥科學(xué)方面，由于價(jià)格不菲、體形龐大，因此嚴(yán)重影響了它們在家庭消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用。但隨著用于家庭和個(gè)人應(yīng)用的桌面3D打印機(jī)的出現(xiàn)，3D打印機(jī)在家庭消費(fèi)市場上的銷量正在日漸升溫。伴隨著家用3D打印機(jī)的價(jià)格不斷下降，打印機(jī)的功能也變得更加多樣化，家用消費(fèi)領(lǐng)域3D打印機(jī)的應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大。例如，在食品行業(yè)，2012年，賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家們使用3D打印機(jī)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室中打印出了人造肉，人們居然可以在碳水化合物的生長框架上種植新鮮的肉類組織，其味道與真正的肉類非常相似。最近的研究結(jié)果表明3D打印技術(shù)在食品生產(chǎn)制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，雖然3D打印食品技術(shù)仍處于初步實(shí)驗(yàn)階段[6]。

此外，家庭中的一些日常小工具，比如花盆、筆筒、收納盒等，都可以按照自己的意愿對模型的外形和尺寸大小進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，然后在電腦上建模后通過3D打印技術(shù)制造出實(shí)體，給生活增添一份不一樣的樂趣。家里如果有兒童也可以利用3D打印為孩子們制作玩具，既培養(yǎng)了孩子們的動手動腦能力，又節(jié)省了買玩具的費(fèi)用。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)具有結(jié)構(gòu)精確、完整性好、成本低的特點(diǎn)。它已經(jīng)生產(chǎn)了一系列具有良好經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)品，并且開始廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、醫(yī)藥和航空航天等眾多領(lǐng)域。在現(xiàn)代社會中各行各業(yè)一直堅(jiān)持顧客就是上帝的服務(wù)原則和宗旨，從而3D打印就更需要根據(jù)不同客戶的多樣性需求去做3D打印產(chǎn)品，為顧客們提供品相最好的作品，這樣做不但能很大程度降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和市場競爭風(fēng)險(xiǎn)，還在一定程度上改善了很多普通用戶的消費(fèi)生活水平。

對3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來限制的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印設(shè)備的適用性。目前3D打印技術(shù)可用的快速成型材料主要包括聚合物材料、金屬材料和無機(jī)非金屬。雖然聚合物材料已廣泛應(yīng)用于商業(yè)3D打印機(jī)，但其他材料的應(yīng)用仍處于探索的初始階段（例如限于特定塑料，樹脂和金屬的材料，精度只能達(dá)到微米水平），所以數(shù)量有限的印刷材料在很大程度上限制了3D打印技術(shù)的推廣。幸運(yùn)的是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，未來即將出現(xiàn)的更多具有良好綜合性能的成型材料和材料種類的越來越豐富，都為3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展推廣提供了良好的支持。另一方面，隨著3D打印技術(shù)可用材料的不斷增加和3D打印機(jī)工作能力的不斷提高，可以通過3D打印機(jī)進(jìn)行打印的實(shí)體模型種類將會呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將會繼續(xù)擴(kuò)大。最為主要的是，隨著設(shè)備的改進(jìn)和新興工藝的不斷發(fā)展，3D打印產(chǎn)品的尺寸精度和材料性能將進(jìn)一步提高，對傳統(tǒng)的機(jī)械手工制造業(yè)的影響將慢慢展現(xiàn)出來。在個(gè)人應(yīng)用領(lǐng)域，面對不同消費(fèi)群體的個(gè)性化需求，將會有更緊湊、方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的模型，適用于辦公環(huán)境。

雖然3D打印技術(shù)在全球制造業(yè)中所占比例可以忽略不計(jì)，但3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也受到各種因素的影響，然而，隨著不斷的研究和技術(shù)的進(jìn)步，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，印刷材料將更加多樣化，打印設(shè)備的功能也會更加完善，而且即將給傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法帶來深遠(yuǎn)的影響，引領(lǐng)全球制造業(yè)的新一輪革命浪潮。

參考文獻(xiàn)

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