3D打印技术的发展综述

3D打印技术的发展综述

胡远明,1 ,陈梅2    

  1 金华市远大印刷有限公司            浙江 金华 321000 2杭州电子科技大学上虞科学与工程研究有限公司     浙江 上虞  312300

摘要：3D打印技术具有制造复杂几何模型、加工过程操作简单、生产方式环保等优点，因此在加工制造业、工业设计、医疗、航天航空、军工等各个领域有着广泛应用。本文对3D打印技术及3D打印工艺原理及优缺点分析，同时展望3D技术未来的发展。

关键词：3D打印技术特点，打印技术，打印工艺原理

3D打印技术又名增材制造技术，是一种以三维模型文件作为输入，使用可以粘合、可以固化等材料作为原材料，采用分层打印、逐层堆积打印的方式来制造物品的技术。相对于传统制造工艺，都是通过对原材料的切割、削减、钻孔等一系列的“减材”制造流程制造物品。因而称3D打印为增材制造。

一、3D打印技术特点

1、3D打印优点

3D打印技术是融合了现代信息技术和制造技术的一种先进制造技术。3D打印技术将改变以往制造技术的生产特点，以定制化、智能化、生态化的独特优势，改变传统制造的发展模式[1]。3D打印的定制化体现在能够通过模型数据文件直接打印产品，结合当下的互联网，能够吸引各行各业的建模师发布模型，通过网络的传播，还可以对模型进行二次设计，无论个人还是企业都能够自己完成产品设计和制造。3D打印的智能化体现在以模型数据文件为基础，通过结合机器学习、计算机图像处理、计算机视觉、机械设计等涉及智能制造的高科技研究领域，使得3D扫描到模型重建再到3D打印一系列过程实现半自动化。3D打印的生态化体现在，所使用的材料大多无毒，增材制造的方式不会造成原材料浪费，材料利用率高，可回收再利用。能量消耗相比传统制造低40%-65%，符合节能减排的发展理念。

2、3D打印缺点

3D打印现阶段不适合大规模批量生产标准化产品，劳动密集型产业为主的国家单件生产成本仍然是传统制造工艺更加节约成本；除此之外3D打印机根据使用的工艺不同所需要的材料也有局限性，适用材料还有很大的发展空间。3D打印的个性化特点需要用户有一定的3D建模能力，但这对于普通用户来说十分困难，需要将网格编辑、物体结构分析与仿真进行融合。

二、3D打印技术工艺原理及优缺点

1、光固化快速成型（Stereo lithography Apparatus SLA）

光固化技术由通过计算机控制紫外线激光器按照模型数据分层横截面逐层扫描。光固化打印机适用材料为光敏树脂，光敏树脂一般呈液态，由光引发剂、单体聚合物、预聚体组成的混合物，可在特定波长的紫外光照射下发生聚合反应，完成固化。光敏树脂有成型速度快、表面质量好等优点。另一方面，光敏树脂也有成型产品物理性能略差、容易引起形变需要加支撑才能进行打印、材料价格稍贵、有刺激性气味、有一定毒性等缺陷。

光固化技术具有打印精度高、材料利用率高、加工速度快、产品表面平滑等优点。光固化技术是时间最久，研究最深的3D打印工艺。现如今还有基于光固化技术的迭代技术。数字光处理（Digital Light Processing DLP）使用紫外投影仪作为光源，通过数字微镜控制投射的光来工作。每次投影一层，一次固化一整层。

2、分层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing LOM）

分层实体制造技术主要用纸，金属箔，塑料薄膜等材料。这种技术制造的产品的分辨率取决于材料的分辨率。分层实体制造技术原理通过激光及定位部件根据预先切片得到的横断面轮廓数据，将背面涂有热熔胶并经过特殊处理的片材采用二氧化碳激光束切割出工件轮廓线同样的形状，得到和横断面数据一样的内外轮廓，这样便完成了一个层面的切割。接着供料和收料部件将旧料移除，并叠加上一层新的片材。紧接着利用热粘压装置将背部涂有热熔胶的片材进行碾压，使新层同已有部件粘合，之后再次重复进行切割。通过这样逐层地粘合、切割，最终制成需要的三维工件。对于废料的处理，一些设备会先将片材无轮廓区域的部分先切割成小碎片，再通过回收装置进行移除或最后统一去除。用途上除了可以制造模具、模型外，也可以直接制造一些结构件或功能件。

分层实体制造技术的优点是使用的材料环保且价格低廉、设备使用寿命更长、成型速度较快、可以进行彩色打印、无需加支撑、翘曲变形小等优点。但分层实体制造技术本身不属于增材制造，在对每一层的定型处理使用削减法，材料利用率不如其他制造技术。

3、熔融沉积成型（Fused deposition modeling FDM）

熔融沉积成型的工作原理是将丝状的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴，在计算机控制下，喷头根据3D模型的数据移动到指定位置，将熔融状态下的液体材料挤喷出来并最终凝固。在打印机工作前，先要设定三维模型各层的间距、路径的宽度等数据信息，然后由切片引擎对三维模型进行切片并生成打印移动路径。

丝材由送丝部件送至喷头，经过加热、熔化，材料从喷头挤出黏结到工作台面上，迅速冷却并凝固。

FDM适用的打印材料一般为热塑性材料，如PLA（聚乳酸）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）、合成橡胶等。

FDM不使用激光系统，因此成本较低。适用的成型材料范围较广，环境污染小，不涉及高温高压环境，没有有毒物质排放，原料利用率高都是FDM打印机所具有的优势。

4、选择性激光烧结（Selectivelaser Sintering SLS）

选择性激光烧结技术利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。

SLS适用的材料包括热塑性塑料、金属粉末、合金粉末、石蜡等。从理论上来说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以被用来作为SLS的成型材料。

除此之外 ，还有三维打印技术（Three-DimensionalPrinting 3DP）：3DP技术原理是首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。如此层层叠加，从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕；电子束熔融技术（Electron Beam Melting EBM）：电子束熔融技术原理是在EBM设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层；多射流熔融技术（Multi Jet Fusion MJF）：MJF技术主要是利用两个单独的热喷墨阵列来制造全彩3D物体的。打印时，其中一个喷头左右移动，喷射材料，另一个喷头会上下移动，进行喷涂、上色和沉积，令成品得到理想的强度和纹理。两个阵列会改变方向从而最大化覆盖面和生产力。使用细化剂喷射到已经成型的结构上。外部会对已经沉积和正在沉积的部分加热。这些步骤会往复循环，直至整个物体以层层堆积的方式打印完成。

三、结语

3D扫描技术帮助建模师们快速生成已经存在的实物的模型，大大缩短建模师设计3D打印模型时的工作量。3D扫描技术是软件硬件结合的领域，无论是激光扫描还是相机扫描都依托于好的扫描算法，无论是采用标志点拼接还是纹理拼接扫描出模型的精确程度都依托于更高参数的硬件。3D扫描技术是十分有发展的潜力的技术，可以结合人工智能和自动化技术实现从全自动化扫描直接建模再到3D打印输出成品流水线化工程。

参考文献：

[1]秦芳芳. 3D打印的兴起与我国制造业的发展研究[D].河南师范大学,2015.

[2]赵海明. 3D打印设计与个性化制造技术[D].浙江大学,2017.