201421190102-肖裕辉-3D打印技术及应用趋势

1、3D打印技术及应用趋势肖裕辉 201421190102航空航天学院 摘要：3D打印技术被称为快速成型技术，也称为增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属和塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术。 文章在介绍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打印工艺。分析了3D打印技术的应用领域，并进一步展望了3D打印技术的应用趋势。关键词：3D打印技术 打印工艺 应用趋势1 3D打印技术的简介1.1 3D打印技术概念3D打印技术

2、，学术上又称“添加制造”（additive manufacturing）技术，也称增材制造或增量制造。根据美国材料与试验协会( ASTM）2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会) 公布的定义，3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反，基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。其采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型( rapid prototyping) 和全生产周期的”快速制造”( rapid manufacturing) 相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D 打印涉及的技术包括 CA

3、D建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科的集成。3D打印具有如下特点和优势。（1）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。（2）降维制造( 分层制造) ： 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。（3）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。（4）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

4、现。（5）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。1.2 3D打印技术发展历程 3D打印技术的发展起源可追溯至20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的 Alan Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年) 、美国 UVP公司的Charles Hull ( 1982年) 和日本的丸谷洋二( 1983年) 四人各自独立提出了这种概念。1986年，Charles Hull 率先推出光固化方法（stereo lithography apparatus,SLA） ，这是3D打印技术发展的一个里程碑。同年，他创立了世界上第一家3D打印设备的3D Sy

5、stems公司。该公司于1980年生产出了世界上第一台3D打印机SLA_250。1988年，美国人 Scott Crump 发明了另外一种3D打印技术熔融沉积制造( fused deposition modeling,FDM) ，并成立了Stratasys公司。目前，这两家公司是仅有的两家在纳斯达克上市的3D打印设备制造企业。1989年，C.R.Dechard 发明了选择性激光烧结法( Selective laser sintering，SLS） ，其原理是利用高强度激光将材料粉末烧结直至成型。1993年，麻省理工大学教授 Emanual Sachs发明了一种全新的3D打印技术。这种技术类似于

6、喷墨打印机，通过向金属、陶瓷等粉末喷射粘接剂的方式将材料逐片成型，然后进行烧结制成最终产品。这种技术的优点在于制作速度快、价格低廉。随后，ZCorporation公司获得麻省理工大学的许可，利用该技术来生产3D打印机，3D打印机的称谓由此而来。此后，以色列人Hanan Gothait 于 1998年创办了Objet Geometries公司，并于 2000年在北美推出了可用于办公室环境的商品化3D打印机。2 3D打印分类 3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会(ASTM）3D 打印技术委员会(F42委员会) 的标准，目前七类3D 打印工艺与所用材料如表1 所

7、示。表1 3D打印技术的类型和属性 目前，已实现商品化的3D打印机共涵盖了七类工艺，其中以SLA、SLS、EDM和3D打印等为主。 光固化打印( SLA) 是采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度的薄层，从底部逐层生成物体#其优点是原材料的利用率将近100%，尺寸精度高( 0.01mm) ，表面质量优良，可以制作结构十分复杂的模型；缺点是价格昂贵，可用材料种类有限，制成品在光照下会逐渐解体。 选择性激光烧结打印(SLS) 是采用高功率的激光，把粉末加热烧结在一起形成零件。SLS 工艺的优点是可打印金属材料和多种热塑性塑料，如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密

8、度聚乙烯等，打印时无需支撑，打印的零件机械性能好、强度高； 缺点是材料粉末比较松散，烧结后成型精度不高，且高功率的激光器价格昂贵。 熔融沉积打印( FDM) 是采用热融喷头，使塑性纤维材料经熔化后从喷头内挤压而出，并沉积在指定位置后固化成型。这种工艺类似于挤牙膏的方式，其优点是价格低廉、体积小、生成操作难度相对较小；缺点是成型件的表面有较明显的条纹，产品层间的结合强度低、打印速度慢。 3D 打印是采用类似喷墨打印机喷头的工作方式，这种工艺与选择性激光烧结十分类似，只是将激光烧结过程改为喷头粘结，光栅扫描器改为粘结剂喷射头。其优点是打印速度快、价格低；缺点是打印出来的产品机械强度不高。3 3D打

9、印的应用领域 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。 （1）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。 （2）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

10、计，或进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。 （3）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。 （4）快速模具小批量制造。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。 （5）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。 （6）科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、

11、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。 （7）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。 （8）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。 （9）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。 （10）电子器件的设计与制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上，设计制作电子器件和光学器件，如RFID、太阳能光伏器件、OLED等。4 3

12、D打印技对人类生产生活方式的影响 3D打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态。 一是使制造工艺发生深刻变革。3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。例如，在航空航天工业领域中应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成的，90%的材料被切除掉，这些切削材料对于飞行器的制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务集团( EADS) 研究人员指出，这些用钛粉末打印出的部件与一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐用，但节省了90%的原材料。 二是带动制造技术的重大飞跃。3D打印技术是一门综合应用CAD/CAM 技术、激光技术、光化学、控制、

13、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃，从而带动相关产业的发展。 三是使制造模式发生革命性变化。3D打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变、打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间，消费者只要简单下载设计图，在数小时内通过3D打印机就可将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件，即所谓的“社会化制造”。“社会化制造”的另一优势是通过制造资源网和互联网，快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网，这是实现敏捷制造、

14、精益制造和可持续发展的一种生产模式。 随着3D打印技术和商业应用的发展，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业和新的商业模式，创造出新的经济增长点。3D 打印技术发展带来的产品技术、制造技术与管理技术的进步使企业具备快速响应市场需求的能力，特别是形成适应全球市场上丰富多样的客户群，实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式、商业模式等多个方发生根本性的变化。参考文献1 刘海涛. 光固化三维打印成形材料的研究与应用D. 武汉: 华中科技大学, 2009.2 陈新伟. 三维喷绘机器人喷墨机理研究D. 南京: 南开大学，2009.3 克里斯.安德森. 创客M. 北京: 中信出版社，2012. 4 邓龙辉.刘小静. 浅谈3D打印技术及其在中国的发展 D. 浙江：浙江东方职业技术学院，2014. 5郭少豪.3D打