3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉嘉和+徐銘作+何懿琳+董子恒

摘 要 3D打印正在引發(fā)全球制造業(yè)革命性變革，該技術(shù)通過3D軟件建模結(jié)合打印機(jī)成型，可以靈活地實(shí)現(xiàn)不同材料在任意空間上的增材制造，快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成型，大大節(jié)約原材料和縮短產(chǎn)品制造周期。文章綜述了3D打印的幾種典型成型技術(shù)，以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用情況和前景。

關(guān)鍵詞 3D打??；增材制造；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）204-0104-02

3D打?。═hree Dimension Printing，簡(jiǎn)稱3DP）是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)控系統(tǒng)將專用的打印原材料，通過層層打印堆積材料實(shí)現(xiàn)實(shí)體成型制造。3D打印也被通俗的稱為分層制造、增材制造、快速成形或自由成形等。我國(guó)早在四五千年以前，就已經(jīng)開始通過“等材制造”的途徑冶鑄青銅器皿。18世紀(jì)工業(yè)革命推動(dòng)了各種機(jī)床的發(fā)展，并形成車、銑、刨、磨等工藝實(shí)現(xiàn)了材料的“減材制造”。3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，1986年美國(guó)科學(xué)家Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)并成立了3D Systems公司，開啟了“增材制造”時(shí)代[1]。經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，3D打印技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)特的快速成型技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外掀起新一輪研究熱潮。

1 幾種典型的3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)根據(jù)成型原理不同所用的原材料以及應(yīng)用行業(yè)也有所不同，目前應(yīng)用較廣的幾種典型3D打印成型技術(shù)包括[2-3]：

1）熔融沉積打印技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。熔融材料三維打印通過加熱熱塑性絲材至熔融態(tài)，經(jīng)可控運(yùn)動(dòng)軌跡的噴頭擠出并迅速固化打印材料，沿產(chǎn)品截面切片輪廓和規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡，層層打印疊加形成零件實(shí)體成型。FDM打印原材料一般是熱塑性材料，如聚乳酸、聚碳酸酯高聚物、尼龍等。這種工藝發(fā)展極為迅速，不需要額外激光等高能融化材料，使用維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低。目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝3D設(shè)備中的份額最大。

2）3D打印技術(shù)（3D Printing，3DP）。3DP技術(shù)采用3D打印機(jī)，以粉末（如石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等）和粘結(jié)劑為基本成型要素，通過將粘結(jié)劑打印在平鋪的粉末薄層上，以打印橫截面數(shù)據(jù)在該層創(chuàng)建三維實(shí)體模型，隨后工作臺(tái)下降一個(gè)單位層厚，再重復(fù)下一層打印，逐層堆砌。采用這種技術(shù)打印可進(jìn)行多色彩打印，模型樣品所傳遞的信息較大，是目前最為成熟的彩色3D打印技術(shù)，其缺點(diǎn)是零件精度和強(qiáng)度偏低。

3）立體光固化成型技術(shù)（Stereo Lithogra phy Appearance，SLA）。立體光固化成型法采用液態(tài)光敏樹脂原料，其成型時(shí)先通過CAD設(shè)計(jì)出三維模型，并將模型進(jìn)行切片處理，規(guī)劃掃描路徑，然后控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，照射液態(tài)光敏樹脂使其固化。SLA打印原材料為特定的光敏樹脂，打印機(jī)及原材料均較貴，成型產(chǎn)品較脆，不易保存，但其打印精度高。主要用于打印小型模具、模型、戒指首飾等小部件。另有DLP激光成型技術(shù)和SLA技術(shù)相似，不同的是，它使用的固化光源為高分辨率的數(shù)字光處理器（DLP）投影儀，其成型時(shí)通過光源圖案整層固化（面固化）液態(tài)光聚合物，而SLA技術(shù)依靠控制光源運(yùn)動(dòng)軌跡（線固化）固化，因此DLP打印效率更高。此類技術(shù)成型精度高，打印產(chǎn)品的精度和粗糙度可達(dá)到注塑成型工藝的質(zhì)量。

4）選區(qū)激光燒結(jié)/熔融技術(shù)（Selective Laser Sintering/Melting，SLS/SLM）。選區(qū)激光燒結(jié)/熔融技術(shù)采用粉末為打印材料，打印過程中，平鋪的粉末通過控制高能激光融化規(guī)劃區(qū)域的材料，選擇性地融化、燒結(jié)材料使之固化，打印完一層再鋪粉打印下一層，通過這種過程循環(huán)，粉末層層熔融堆積成三維實(shí)體。另外，電子束融化技術(shù)（Electron Bean Melting，EBM）與SLS/ SLM成型技術(shù)類似，不同的是，該技術(shù)通過高能電子束加熱融化材料。這2種技術(shù)成型原理均較復(fù)雜，成型條件設(shè)備及材料成本高，打印材料可以是尼龍、蠟、陶瓷、金屬等，其打印產(chǎn)品成型精度高，力學(xué)性能好，在航空航天、生物醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、建筑、消費(fèi)品等諸多領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用，傳統(tǒng)制造經(jīng)常導(dǎo)致一些部件無法制造或者制造成本很高，生產(chǎn)周期很長(zhǎng)，但使用3D打印技術(shù)可以帶來更大的自由度，因此，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。

1）工業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，3D打印機(jī)可以打印出汽車、航天等需要的零件，有效地避免了傳統(tǒng)零部件研測(cè)高投入和長(zhǎng)耗時(shí)的弊端。如以航空工業(yè)燃機(jī)葉片為例，該葉片擁有十分復(fù)雜的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，如果采用常規(guī)的流程一般需要2年的時(shí)間去設(shè)計(jì)、開發(fā)及測(cè)試新款燃機(jī)葉片，但通過3D打印我們可以縮短減少90%的原型制作時(shí)間。此外在工業(yè)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、快速原型制作、產(chǎn)品功能評(píng)估，產(chǎn)品模具制造等均可應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助制造。目前鑄造領(lǐng)域已有應(yīng)用3D打印砂型，汽車輪胎模具通過3D打印技術(shù)制造等。

2）醫(yī)療領(lǐng)域。醫(yī)療領(lǐng)域是目前3D打印技術(shù)應(yīng)用主要包括：人體器官模型制造；手術(shù)導(dǎo)板及矯正假肢設(shè)計(jì)制造；仿生個(gè)性化植入體制造；含細(xì)胞生物打印活體器件以及活體器官；藥物篩選模型等。目前在骨科中，已有部分3D打印個(gè)性化植入體產(chǎn)品獲得了臨床批準(zhǔn)應(yīng)用。2013年3月11日，牛津性能材料公司宣布，他們使用特殊聚醚酮酮PEKK材料3D打印頭骨植入物獲得了美國(guó)食物和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)。2015年11月施樂輝基于CONCELOC技術(shù)的REDAPT修正髖臼全孔杯獲得了FDA準(zhǔn)入。2016年3月10日，全球知名骨科植入產(chǎn)品公司史賽克（Stryker）宣布，該公司開發(fā)的3D打印后路腰椎間融合器獲得FDA批準(zhǔn)，并于2016年上市。2015年由北大三醫(yī)院和愛康醫(yī)療公司合作研發(fā)的3D打印人工髖關(guān)節(jié)產(chǎn)品成為我國(guó)首個(gè)獲CFDA批準(zhǔn)的3D打印植入物。endprint

3）建筑領(lǐng)域。建筑領(lǐng)域里，工程師已經(jīng)開始應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑模型設(shè)計(jì)，甚至直接建造，這種方法建筑成本低、建造速度快，材料利用率高。打印建筑與一般的3D打印原理相似，不過原料換成了水泥和玻璃纖維等。2014年4月，上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)技術(shù)人員通過打印技術(shù)，直接打印出10幢3D建筑，這些建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，經(jīng)一臺(tái)大型3D打印機(jī)打印層層疊加構(gòu)建，據(jù)悉10幢小屋的打印建造僅僅花費(fèi)數(shù)天時(shí)間，而傳統(tǒng)建筑途徑可能需要上月的時(shí)間修建。

4）消費(fèi)品領(lǐng)域。在消費(fèi)品領(lǐng)域，許多文化創(chuàng)意和娛樂產(chǎn)品，以及玩具等往往具有復(fù)雜的形狀和造型，對(duì)材料、外形以及色彩表達(dá)要求高。傳統(tǒng)的制造模式費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，應(yīng)用3D打印技術(shù)則可事半功倍。據(jù)報(bào)道科幻電影《阿凡達(dá)》中的部分道具正是運(yùn)用3D打印設(shè)計(jì)制作的。此外，珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)用持續(xù)增長(zhǎng)，許多小工具、小玩具甚至小零食都可以由3D打印機(jī)直接打印出來。

3 3D打印技術(shù)的挑戰(zhàn)和前景

盡管3D打印技術(shù)目前如火如荼，但是其技術(shù)依然面臨諸多挑戰(zhàn)，例如，其挑戰(zhàn)之一在于開發(fā)各類3D打印原材料。3D打印的原材料較為特殊，必須能夠適應(yīng)各種打印成型工藝，便于液化、絲化、粉末化制備打印材料，經(jīng)打印過程后又能重新固化結(jié)合。特別是對(duì)于醫(yī)療器械專用材料，大多需要進(jìn)行嚴(yán)格的生物學(xué)評(píng)價(jià)，以防止各類生物性風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。打印原材料客觀上影響和制約著3D打印技術(shù)的推廣和發(fā)展。挑戰(zhàn)之二是3D打印缺欠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。例如在醫(yī)療器械領(lǐng)域，3D打印醫(yī)用材料需要進(jìn)行制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但目前我國(guó)尚未沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可參考。挑戰(zhàn)之三是產(chǎn)品技術(shù)鏈尚未完全形成。當(dāng)前3D打印各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用尚處于規(guī)模小、合作少、產(chǎn)值低的狀態(tài)，如何進(jìn)行跨界整合（包括產(chǎn)品建模設(shè)計(jì)、打印材料、打印設(shè)備、銷售、技術(shù)維護(hù)等），并形成完整的產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用技術(shù)鏈?zhǔn)?D打印技術(shù)推廣的重要問題。

相比傳統(tǒng)制造方式，3D打印技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1）可有效縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期；2）實(shí)現(xiàn)特殊的設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)制造改善產(chǎn)品性能；3）快捷簡(jiǎn)便靈活的生產(chǎn)模式。據(jù)市場(chǎng)研究公司IQ4IResearch & Consultancy發(fā)布的分析報(bào)告稱，到2022年，3D打印僅在全球醫(yī)療領(lǐng)域中將達(dá)到38.9億美元（約合257億人民幣）。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》2012年將3D打印技術(shù)譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”，并稱之為“制造業(yè)未來的趨勢(shì)”。美國(guó)《時(shí)代》周刊將3D打印列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。因此，3D打印有望引領(lǐng)全球制造業(yè)產(chǎn)生革命性變革，相關(guān)產(chǎn)業(yè)具有光明的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)根據(jù)成型技術(shù)不同對(duì)應(yīng)有不同的打印原料和設(shè)備。3D打印技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天航空、醫(yī)療、建筑及日常消費(fèi)品等諸多領(lǐng)域，其中航天航空產(chǎn)品以及醫(yī)療產(chǎn)品本身具有較為特殊的設(shè)計(jì)要求，并具有較好的產(chǎn)品附加值，因此該領(lǐng)域方向是未來3D打印技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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