3D打印漫談

撰文/梁迪

3D打印漫談

撰文/梁迪

3D打印是何方神圣？

3D打印被廣泛地認(rèn)為有潛力成為顛覆性的技術(shù)。關(guān)于3D打印的相關(guān)報(bào)道也屢見報(bào)端。這個(gè)宣稱可以憑借革命性設(shè)計(jì)終結(jié)傳統(tǒng)制造業(yè)的3D打印究竟是什么？

3D打印和傳統(tǒng)制造技術(shù)的根本不同點(diǎn)在于其是一種增材制造方式。傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性主要在于需要密集勞動(dòng)力并遵循“手工制作”的理念。然而當(dāng)今的制造業(yè)已經(jīng)發(fā)生了改變，自動(dòng)化流程變得更加先進(jìn)，同時(shí)復(fù)雜的流程往往需要應(yīng)用機(jī)床、計(jì)算機(jī)以及機(jī)器人等技術(shù)。但目前這些技術(shù)無論是用于直接生產(chǎn)產(chǎn)品還是生產(chǎn)用于鑄造或成型的工具，都是通過在大塊原料上去除余量實(shí)現(xiàn)的。這也使得在制造過程中存在巨大的局限。對于許多技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程存在許多難以承受的制約，包括昂貴的機(jī)床設(shè)備、卡具以及對復(fù)雜零部件裝配的需求。不僅如此，傳統(tǒng)的減材制造方式還導(dǎo)致了約90%原材料的浪費(fèi)。相對而言，3D打印則通過不同的技術(shù)手段以逐層疊加原材料的方式直接生成產(chǎn)品，其過程就像自動(dòng)搭建樂高積木一樣令人耳目一新。

3D打印技術(shù)之所以令人振奮，因?yàn)樗梢詫⑻祚R行空的設(shè)計(jì)制作出來，并節(jié)省從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的時(shí)間?，F(xiàn)在，零部件可以設(shè)計(jì)成特殊形狀而無需考慮其復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的裝配問題，同時(shí)也不會(huì)帶來額外的費(fèi)用。由于較傳統(tǒng)加工方式可以節(jié)省約90%的原材料，以及通過重量更輕、強(qiáng)度更高的設(shè)計(jì)增加了產(chǎn)品的使用壽命，3D打印也被認(rèn)為是高效節(jié)能的技術(shù)。

近年來，3D打印不僅僅應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品原型的制作，而是更加親民，用戶群體也向小型公司和個(gè)人靠近。這樣的策略不僅為3D打印技術(shù)拓展了廣泛的群眾基礎(chǔ)，而且使得3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的普及率持續(xù)增長，長遠(yuǎn)來說，與3D打印相關(guān)的系統(tǒng)、材料、應(yīng)用軟件、服務(wù)和輔助設(shè)備也將會(huì)不斷涌現(xiàn)。

3D打印的前塵往事

3D打印技術(shù)首次出現(xiàn)是在20世紀(jì)80年代后期，當(dāng)時(shí)被稱為快速成型（RP）技術(shù)。1980年5月日本的Kodama博士首次為快速成型技術(shù)申請了專利。不幸的是Kodama博士并沒有在申請專利后的一年期限內(nèi)提交完整的專利說明書。直到1986年，第一項(xiàng)3D打印專利頒發(fā)給了立體光固化成型技術(shù)（SLA），而這個(gè)專利屬于在1983年發(fā)明SLA設(shè)備的Charles （Chuck）Hull。隨后Hull成立了3D Systems，這也是現(xiàn)今在3D打印行業(yè)中經(jīng)營規(guī)模最大，產(chǎn)品最豐富的公司之一 ！

這一時(shí)期SLA并不是唯一的RP技術(shù)，1987年，Carl Deckard為選擇性激光燒結(jié)（SLS）的RP方法申請了專利，并在1989年發(fā)布。SLS技術(shù)后來被授權(quán)給DTM公司，該公司后來被3D Systems收購。 1989年也是Stratasys公司聯(lián)合創(chuàng)始人之一ScottCrump申請熔融沉積造型（FDM）專利的一年，該專利在1992年頒發(fā)給Stratasys公司。FDM到目前為止仍然是Stratasys的專有技術(shù)，入門級(jí)設(shè)備應(yīng)用較多，基于其開源的RepRap模式，F(xiàn)DM設(shè)備目前非常豐富。也是在1989年，Hans Langer在德國創(chuàng)辦了EOS公司，如今，EOS系統(tǒng)已是全球公認(rèn)的質(zhì)量過關(guān)，并輸出工業(yè)原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品以及3D打印的應(yīng)用程序。其他的3D打印技術(shù)和工藝也不斷出現(xiàn)，比如由WilliamMasters獲得專利的彈道粒子制造（BPM），由Michael Feygin獲得專利的分層實(shí)體制造（LOM），由ItzchakPomerantz 等人獲得專利的光掩膜固化（SGC），以及由EmanuelSachs等人獲得專利的“三維印刷”（3DP）。90年代初期RP市場上出現(xiàn)越來越多的競爭企業(yè)，但只有3家公司堅(jiān)持到現(xiàn)在—— 3D Systems、EOS 和Stratasys。

在20世紀(jì)90年代以及21世紀(jì)初，3D打印新技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，并集中在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由先進(jìn)技術(shù)提供商在特殊模具，鑄造和直接制造應(yīng)用方面主導(dǎo)研發(fā)，并產(chǎn)生新的技術(shù)術(shù)語，即快速模具（RT）、快速鑄造和快速制造（RM）等等。

在商業(yè)運(yùn)作方面，Sanders Prototype（后來的Solidscape）和ZCorporation在1996年成立，Arcam在1997年成立，Objet Geometries在1998年啟動(dòng)，MCP Technologies在2000年推出的SLM技術(shù)，EnvisionTec在2002年成立，ExOne在2005年成立。技術(shù)術(shù)語也隨著制造應(yīng)用的增長以及在各領(lǐng)域被廣泛地接受，而逐漸演變?yōu)樵霾闹圃欤ˋM）。值得注意的是，同時(shí)期的東半球3D打印技術(shù)也有所發(fā)展，但卻沒有在當(dāng)時(shí)真正地影響全球市場。

在21世紀(jì)前十年，3D打印行業(yè)開始在兩個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域顯示出明顯的多元化跡象，在今天看來發(fā)展輪廓更加清晰。

首先，高端3D打印仍然非常昂貴，主要針對高價(jià)值、精心設(shè)計(jì)和造型復(fù)雜的零部件生產(chǎn)。這種高端市場仍然存在并不斷擴(kuò)張，直到現(xiàn)在研究成果才真正地在生產(chǎn)中實(shí)施，并應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療和珠寶首飾等領(lǐng)域。

其次，3D打印系統(tǒng)制造商研發(fā)了“概念模型”，改善了概念創(chuàng)新和原型設(shè)計(jì)的功能，是專門為用戶友好、效益好的系統(tǒng)而開發(fā)的。這些系統(tǒng)可以稱桌面級(jí)設(shè)備的前奏，全部應(yīng)用在工業(yè)上。而現(xiàn)在，3D打印機(jī)在低端市場出現(xiàn)了價(jià)格戰(zhàn)，而與此相伴的是不斷提高的打印精度、速度和不斷完善的打印材料。

3D打印被認(rèn)為第四次工業(yè)革命的先鋒，不可否認(rèn)已經(jīng)對工業(yè)部門產(chǎn)生了影響。這巨大的潛力帶來的藍(lán)圖正在我們面前徐徐展開。

3　D打印技術(shù)

所有3D打印過程的起點(diǎn)一定是通過各種三維軟件創(chuàng)建的三維數(shù)字模型，對于制造商和消費(fèi)者而言，無需親自建模，只需要用一臺(tái)3D掃描儀，掃描模型即可獲得可用的三維模型。隨后三維模型被切層，從而將設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可以讀取的文件。3D打印機(jī)則根據(jù)設(shè)計(jì)和流程分層處理原材料，并最終完成打印。

目前有多種3D打印技術(shù)，分別使用不同的材料以不同的方式生成最終的產(chǎn)品。功能塑料、金屬、陶瓷和沙子是在工業(yè)原型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中常用的材料。生物材料和食品也是較為火爆的3D打印材料，以供打印各種形狀活性部件或者食物。不過一般而言，在入門級(jí)市場，打印材料比較有限，而塑料是當(dāng)前唯一廣泛使用的材料，比如ABS和PLA，同時(shí)也有越來越多的替代品出現(xiàn)，如尼龍等。同時(shí)也有越來越多的入門級(jí)設(shè)備適用于打印諸如以糖和巧克力為材料的食品。

因?yàn)榱悴考梢灾苯哟蛴?，所以生產(chǎn)非常精細(xì)和復(fù)雜的物品便成為可能，只需考慮功能性設(shè)計(jì)而無需擔(dān)心裝配問題。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，目前沒有任何一種3D打印工藝是現(xiàn)做現(xiàn)用的。因?yàn)樵趯?shí)施打印之前還有很多步驟需要執(zhí)行，此外，零部件從打印開始到完全成型之間還有更多的執(zhí)行工序，然而這些步驟往往被忽視。除去3D打印的設(shè)計(jì)這一必要過程以外，模型執(zhí)行文件的準(zhǔn)備和轉(zhuǎn)換也是耗時(shí)且復(fù)雜的。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件在打印過程中需要支撐結(jié)構(gòu)也增加了打印的難度。盡管如此，持續(xù)的軟件升級(jí)也使得3D打印的功能和方案不斷完善。此外，許多零部件在打印機(jī)中成型后需要進(jìn)行后期的精加工。去除支撐材料是必須的過程，同時(shí)其他諸如去除毛刺、涂油漆以及其他的傳統(tǒng)收尾工序也需要手工來做。

3　D打印過程面面觀

立體平板印刷（SL）

立體平板印刷（SL）是最早的3D打印工藝，也是最早實(shí)現(xiàn)商用的技術(shù)。SL是基于激光技術(shù)，將光敏聚合物樹脂與激光發(fā)生反應(yīng)并固化，并以非常精確的方式生成超精密零部件。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，簡單說就是把光敏聚合物樹脂放在容器中的可移動(dòng)平臺(tái)上，激光束根據(jù)打印機(jī)stl文件提供的三維數(shù)據(jù)并按照X-Y軸坐標(biāo)照射在樹脂的表面，使得光敏樹脂精確地固化。一旦本層固化完成，容器中的可移動(dòng)平臺(tái)便在Z軸方向細(xì)微的下降，隨后，下一層將會(huì)被激光重新按照這一層的三維數(shù)據(jù)固化。此過程將一直持續(xù)到整個(gè)物體完成的成型。之后，平臺(tái)將在容器中升起，以方便移走已成型的零部件。由于SL工藝逐層固化的特性，某些零部件在成型過程中需要支撐結(jié)構(gòu)以起到固定作用，這種需求在有懸臂結(jié)構(gòu)以及存在鏤空設(shè)計(jì)的部件成型中更加明顯。這些支撐結(jié)構(gòu)最終需要通過手工去除。按照以往提出的工藝步驟，很多使用SL技術(shù)的3D打印產(chǎn)品需要進(jìn)行清洗和“烘干”?！昂娓伞奔窗蚜悴考诺筋愃瓶鞠涞臋C(jī)器中用強(qiáng)光照射以使光敏樹脂完全硬化。

立體平板印刷因其出色的表面光滑度被認(rèn)為是最為精確的3D打印技術(shù)之一。然而其也有局限條件，因?yàn)樾枰筇幚淼牟襟E，以及要保證材料長時(shí)間的穩(wěn)定新，這些措施會(huì)使得產(chǎn)品脆性有所增加。

數(shù)字光處理（DLP）

DLP也稱數(shù)字光處理，是和SL類似的3D打印技術(shù)。不同的是DLP采用更加傳統(tǒng)的光源，比如配置帶反光變形鏡設(shè)備的弧光燈，它將光單向地照射到光敏聚合物樹脂的整個(gè)表面，總體來講比SL技術(shù)速度更快。

DLP像SL一樣可生產(chǎn)具有出色分辨率的高精度零部件，也同樣需要支撐結(jié)構(gòu)和后處理。然而DLP對SL的優(yōu)勢是它只需要較淺的容器便可完成成型過程，這也會(huì)減少浪費(fèi)和運(yùn)營成本。

激光燒結(jié)/激光熔融

激光燒結(jié)和激光熔融這兩個(gè)術(shù)語可以相互替換，它們是基于激光技術(shù)的3D打印工藝，主要以金屬粉末為原材料。通過將3D模型信息提供給打印機(jī)，激光就可以在由緊實(shí)的粉末材料組成的粉床上按照X-Y坐標(biāo)軸定位進(jìn)行照射。當(dāng)激光和粉末材料的表面接觸時(shí)，這些粉末以燒結(jié)或熔融的形式和周圍的粉末形成固體。當(dāng)每層的固化完成后，粉床會(huì)逐漸下降，同時(shí)滾筒將新的粉末重新推到已下降粉床表面，并使其平滑，以便于新層粉末在激光的照射下熔融或燒結(jié)同之前層固化在一起。打印室必須完全密封以滿足成型過程中粉末材料對熔點(diǎn)溫度的精確要求。一旦完成打印過程，整個(gè)粉床將從打印機(jī)分離，同時(shí)附著的粉末也將同打印成品分離。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢是粉床可以提供對懸臂結(jié)構(gòu)以及鏤空設(shè)計(jì)部件的支撐，所以在其他3D打印成型方式不能加工的復(fù)雜形狀產(chǎn)品可以使用激光燒結(jié)熔融。然而其也有缺點(diǎn)，由于激光燒結(jié)需要非常高的溫度，所以冷卻的時(shí)間會(huì)很長。另外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在的細(xì)小空隙也是長久以來存在的問題，雖然已經(jīng)有了顯著改善，但對于需要完全致密的零部件，仍需滲透其他材料來提升強(qiáng)度。激光燒結(jié)可以使用塑料和金屬作為原材料，但金屬燒結(jié)需要更高的電力支持以及更高的打印溫度。使用此工藝加工的零部件的強(qiáng)度要比SL和DLP更高，雖然表面光潔度和精度還有待提高。

Extrusion / FDM / FFF

3D打印技術(shù)利用熱塑材料的擠壓是最常見的也是最容易識(shí)別的3D打印工藝。而熔融沉積造型（FDM）憑借其應(yīng)用較早而成為這項(xiàng)工藝最為人所熟知的名字，但FDM是一個(gè)商業(yè)名稱，由最初研發(fā)這項(xiàng)工藝的Stratasys公司注冊。Stratasys公司的FDM技術(shù)自上世紀(jì)90年代早期就已存在，如今已成為工業(yè)級(jí)的3D打印工藝。然而隨著入門級(jí)3D打印機(jī)的大量擴(kuò)增，自2009年便出現(xiàn)了類似FDM的熔絲制造（FFF），目前FFF專利仍為Stratasys公司所有。最早的RepRap設(shè)備以及所有后續(xù)演進(jìn)（開源和商業(yè)）都采用擠壓的方法。然而，隨著Stratasys的專利侵權(quán)文件的提出，當(dāng)前入門級(jí)打印機(jī)市場將如何發(fā)展值得深思，因?yàn)樗羞@些設(shè)備將潛在地成為Stratasys處理專利侵權(quán)的對象。

FDM通過融化沉積塑料細(xì)線，并經(jīng)由加熱的打印頭，根據(jù)由打印機(jī)提供的3D參數(shù)逐層地在成型平臺(tái)上打印，其中每一層成型的材料都會(huì)沉積并粘合在之前層上面。Stratasys已經(jīng)開發(fā)了一系列工業(yè)級(jí)的材料，以供適用FDM工藝的生產(chǎn)使用。在入門級(jí)設(shè)備市場，打印材料較為局限，但可選的范圍越來越大。最常見的針對入門級(jí)FFF 3D打印機(jī)的材料有ABS和PLA。

FDM/FFF工藝對于任何涉及懸臂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都需要支撐結(jié)構(gòu)。對于FDM還需要所使用的支撐結(jié)構(gòu)為水溶性物質(zhì)，以便于在完成打印后相對容易用水沖掉。此外，可用手工去除的分離式支撐材料也是很好的選擇。支撐結(jié)構(gòu)雖說是入門級(jí)FFF 3D打印機(jī)的一個(gè)局限，但隨著系統(tǒng)升級(jí)和改進(jìn)雙重?cái)D壓頭，問題變得越來越少了。在模型制作方面，Stratasys公司的FDM工藝是精確而可靠的，雖然也必須采取后處理。對于入門級(jí)設(shè)備，F(xiàn)FF工藝將生產(chǎn)的模型精度可能會(huì)低一些，但事情正在朝著好的方向發(fā)展。

對于特殊幾何形狀的模型打印速度會(huì)降低，層與層之間的粘合也可能會(huì)導(dǎo)致零部件不夠致密而滲水，對于此，可通過使用丙醇后處理解決這些問題。

材料噴射

材料噴射工藝是將液體或者熔融狀態(tài)的原材料通過多噴射頭（可同時(shí)噴射系統(tǒng)支持的不同材料）選擇性的噴射來實(shí)現(xiàn)3D打印。然而材料往往是液態(tài)光敏聚合物，通過紫外線的照射固化沉積到每一層。

這種產(chǎn)品的性質(zhì)允許同時(shí)沉積一系列材料，這意味著一個(gè)零部件可以是有具有不同特性的多種材料制作而成。材料噴射是一種非常精確的3D打印工藝，其生產(chǎn)的零件具有非常光滑的表面。

粘合劑噴射

打印噴頭中噴射的材料是粘合劑，并且選擇性地噴入盛放零件材料的粉床中，并逐層融合零件材料以生成所需零件。一旦該層噴射完成，粉床逐漸下降，同時(shí)由滾輪或刮刀將新的零件粉末推到已下降的粉床表面，并是表面平整光滑，在打印噴射頭下一次動(dòng)作之前，附著粘合劑的這層成型并與之前層進(jìn)行融合。

粘合劑噴射的優(yōu)點(diǎn)包括具有和SLS類似的優(yōu)勢，即無需支撐材料，因?yàn)榉鄞部梢蕴峁┫嗤墓δ?。此外一系列不同的材料都可以使用，包括陶瓷和食品。另外其?yōu)勢在于可以輕松地將顏色調(diào)到粘合劑里，從而打印色彩豐富的產(chǎn)品。

粘合劑噴射的零部件直接從打印設(shè)備中生成，然而其強(qiáng)度并不如燒結(jié)出的零件，并且需要后處理來確保耐用性。

選擇性沉積層 （SDL）

選擇性沉積層 （SDL）是一種由Mcor Technologies研發(fā)并為其所有的3D打印技術(shù)。SDL的3D打印過程中使用標(biāo)準(zhǔn)復(fù)印紙來逐層構(gòu)建零件。每一新層通過使用粘合劑固定到前一層，而粘合劑則通過3D數(shù)據(jù)有選擇的釋放。這意味著有較高密度粘合劑釋放的區(qū)域?qū)?huì)成型為零部件，而較低密度粘合劑的周圍區(qū)域?qū)⑵鸬街巫饔?，以確保零部件相對容易切割去除或者分離。

當(dāng)新的紙張通過送紙機(jī)送進(jìn)3D打印機(jī)，并放置在上一層中被選擇釋放粘合劑的位置之后，構(gòu)建板移動(dòng)到加熱板并被施加壓力。這種作用力可確保兩張紙之間的正確粘合。之后構(gòu)建板回到原始的構(gòu)建高度。硬質(zhì)合金刀刃每次通過跟蹤物體外輪廓切割紙張以生成零部件。當(dāng)切割順序完成后，3D打印機(jī)開始釋放下一層的粘合劑，一直到整個(gè)零件打印完成為止。

SDL是為數(shù)不多的可以使用CYMK顏色系統(tǒng)生產(chǎn)全彩3D打印零部件的3D打印工藝。而且因?yàn)榱悴考菢?biāo)準(zhǔn)紙張，所以無需后處理。

電子束熔煉（EBM）

電子束熔煉（EBM）3D打印技術(shù)是由瑞典的Arcam公司研發(fā)并專有。該金屬打印方法在零部件從金屬粉末到成型方面和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）工藝非常相似。但關(guān)鍵不同點(diǎn)在于熱源，顧名思義EBM的熱源是電子束而非激光器，而這樣的熱源需要在真空條件下開展工作。

EBM具有使用一系列金屬合金，制造全致密材料零件的能力，產(chǎn)品甚至達(dá)到醫(yī)用級(jí)別，所以這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別在植入物方面。然而其他高科技行業(yè)，如航空航天和汽車領(lǐng)域也看好EBM技術(shù)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)非常安全而且環(huán)保。