201421190115-张连营-3D打印技术最新进展综述VIP

1、3D打印技术最新进展综述摘要：3D打印是最近几年开始流行的一种快速成形技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。在详细介绍3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点的基础上，具体给出了光固化成形、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积这七类3D 打印工艺。分别分析了3D 打印技术的全球商业化状况和应用领域，并进一步展望了3D打印技术的应用趋势。最后指出，3D印技术将深刻改变传统行业的产业模式，实现从传统制造向智能制造迈进。关键词: 3D打印技术 智能制造 数字制造 个性化定制 0 引言近年来3D打印技术风靡全球，引

2、领这第三次工业革命。虽然3D打印技术尚处在萌芽期，但是其前景非常诱人。激光技术结合3D打印，将会带来全新的制造方式，势必对传统的制造行业造成强大的冲击。3D打印技术将成制造业新命题。自 2013年以来，国内媒体界、学术界、金融界也掀起了关注 3D打印技术的热潮，各级政府部门开始关注并制订3D打印技术的发展规划。本文在查阅大量文献和实践调研的基础上，分别从3D打印技术的概念、工艺、材料、设备及其商业化状况等方面进行介绍; 并在此基础上，进一步展望了3D打印技术的应用趋势和对人类未来生产生活方式的影响。1 3D打印技术概念3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，也称为增材制造技术

3、，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。快速成型技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。3D打印技术被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”，早在20世纪90年代中期就已出现，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。3D打印具有如下特点和优势。 数字制造: 借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件; 数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。 降维制造( 分

4、层制造) : 即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。 堆积制造: “从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。 直接制造: 任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。 快速制造: 3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。2 3D打印原理和过程 “3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型的方式来“造型”，

5、会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层一层叠加起来，最终在计算机上的蓝图变为实物。 3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。 每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散，然后是喷洒一层均匀的粉末。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用，加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm之内。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件

6、。 三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。分步骤描述如下： 1、 三维建模 通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的 DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成二维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。 2、分层切割 由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度

7、由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。 3、打印喷涂 由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到二维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。 4、后期处理 模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。3 3D打印材料 在3D打印领域，材料是技术的核心之一，可以使用很多种材料，如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS塑料、PLA聚

8、乳酸尼龙、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS(热塑料）和树脂为主，材质在机器内 “熔化”，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120种软硬不同的新材料。 工程塑料 指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。 PC材料，是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性。高强度，耐高温，抗冲击，抗弯曲，可以作为最终零部件使用，应用于交通工具及家电行业。 PC-ISO材料，是一种通过医学卫生认证的热塑性材料，广泛应用于药品及医疗器械行业，可以用于手术模拟，颅骨修复，牙科等专业领域。 PC-ABS材料，是

9、一种应用最广泛的热塑性工程塑料，应用于汽车，家电及通信行业。 光敏树脂 即是UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250-300纳米）照射下立刻引起聚合反应完成固化。一般为液态，一般用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。 Somos 19120材料为粉红色材质，铸造专用材料。成型后直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开模具的风险，大大缩短周期。拥有低留灰烬和高精度等特点。 Somos 11122材料为半透明材质，类ABS材料。抛光后能做到近似透明的艺术效果。此种材料广泛用于医学研究、工艺品制作和工业设计等行业。 Somos Next材料

10、为白色材质，类PC新材料，材料韧性较好，精度和表面质量更佳，制作的部件拥有最先进的刚性和韧性结合。 另外3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。 4 目前存在的主要问题3D打印技术已经取得了显著的进展，但仍存在以下几方面问题。 3D打印的耗材。耗材是目前制约3D打印技术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等，然而3D打印技术要实现更多领域的应用，就需要开发出更多的可打印材料，根据材料特点深入研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方法，建立材料性能数据的规范性标准等。此外，在一些关键产业领域，寻找合适

11、的材料也是一大挑战，例如空客概念飞机的仿真结构，要求机身必须透明且有很高的硬度。为符合这些要求就需要研发新型的复合材料。Xerox PARC研究中心的研究人员正在致力于可打印电子产品的新工艺研究，但是目前的可用原料还不多。在打印材料方面，以色列objet公司处于领先地位。最近，该公司宣布为connex系列多材料3D打印机新开发了39种新的“数字材料”，可供客户选择的基本材料已多达107种。这些材料的质地、韧性、刚度、强度都各不相同。该公司目前可提供90种“数字材料”，这些材料都是由公司提供的基本材料复合而成，这样可使设计师、工程师和制造商能够非常精确地模拟其最终产品的材料性能。用户使用conn

12、ex多材料3D打印机，可以在一个模型中同时使用多达14种不同硬度和透明度的材料。此外，目前对金属材料进行3D打印的需求尤为迫切，如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等，但目前这些打印技术尚未完全突破。 3D打印机本身。据报道，世界上目前只有一种3D打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于3D 打印工艺发展还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求，只能做原型使用。3D打印产品由于采用叠加制造工艺，层与层之间连接得再紧密，目前也很难与传统锻件相媲美。 3D打印的价格。目前，3D打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。目前，1kg打印材料少则几百元，多则要4

13、万元左右，因此3D打印技术在一段时间里还无法全面取代传统制造技术。但是在单件小批量、个性化订制和网络社区化生产方面，对于大多数产品来说，不管打印1件还是100件，价格都相差无几，因而3D 打印具有无可比拟的优势。 知识产权的保护。3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创意。然而，单靠创意也是很危险的，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品，极有可能就像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。 打印机的操作技能。3D打印技术需要依靠数字模型来进行生产，但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设

14、计工具（CAD）还是有一定难度。但随着社会发展，未来会有越来越多的学生学习并掌握这方面的技能，而且企业也会提供一些简单的产品数据库，用户不必学会3D设计技能就能制作模型，就像傻瓜相机的发展一样。 政策方面。3D技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。如在医疗领域，可能会因缺少食品和药品监管部门的许可，造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。5 3D打印技术的应用领域3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。目前，3D打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造( 汽车、摩托车) 、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身

15、的发展，其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个方面。 设计方案评审。借助于3D打印的实体模型，不同专业领域( 设计、制造、市场、客户) 的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。 制造工艺与装配检验。3D打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节，借助3D打印的实体模型结合设计文件，就可有效指导零件和模具的工艺设计，或行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。 功能样件制造与性能测试。3D打印的实体原型本身具有一定的结构性能，同时利用3D打印技术可直接制造金属零件，或制造出熔( 蜡) 模; 再通过熔模铸造金属零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。 快速模

16、具小批量制造。以3D打印制造的原型作为模板，制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具，可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。 建筑总体与装修展示评价。利用3D打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。 科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可通过3D 彩色打印，实现几何结构与分析数据的实体可视化。 医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术，利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型，可指导手术方案设计，也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。 首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3D打印制作蜡模，通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。 动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现动漫等模型的快速制造，指导和评价动漫造型设计。 电子器件的设