3D打印綜述

李寬，宋春華，蔡蕭遙，鄧杰，周洪婷，楊芯萍

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610000）

前言

3D打印技術(shù)也說是“增材制造技術(shù)”，是相對于傳統(tǒng)機械加工“減材制造”技術(shù)而說的，基于離散，堆積原理通過材料的逐漸積累來實現(xiàn)制造的技術(shù)。3D打印由計算機將成型零件的3D模型分成一定厚度切片最后疊加成形出三維實體零件。這種制造技術(shù)無需傳統(tǒng)的刀具或模型，就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，有效的簡化了生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周期。本文基于國內(nèi)，國外3D打印的技術(shù)研究情況和產(chǎn)品情況，闡述目前存在的一些常規(guī)問題，并提出擬解決方案，并在最后對3D打印的未來展望。

1 國外的研究情況

1.1 產(chǎn)品情況

Stratasys公司的 Dimension1200es是以 FDM 技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠最大的構(gòu)建尺寸，可打印9種顏色，累積層厚度為0.254mm-0.33mm。Dimension Elite擁有最佳分辨率 0.178 mm。Fortus250mc可以通過insight軟件優(yōu)化部件強度，制定填充路徑，調(diào)節(jié)材料密度，并有 3種層分辨率選擇。Objet Eden260VS，對于精巧或復(fù)雜的模型，自動可移除的支撐可以便捷地清潔水槍沖洗可能無法抵達或造成破壞的內(nèi)部空隙和精細(xì)紋理。Eden 260VS 是首臺支持可溶性支撐的 PolyJet 3D 打印機，Objet24，能夠打印帶有小型活動部件、薄壁及可著色光滑表面的逼真模型的桌面系統(tǒng)，價格極為經(jīng)濟。Objet260 Connex3，無需后期加工，PolyJet 模型可以打印后直接使用，無需二次固化。制作表面光滑及具有柔韌性的部件。使用橡膠材料來制作墊圈、插頭和密封墊的原型。3D 打印可直接使用的、需要長時間接觸皮膚的醫(yī)療器件，如耳型或手術(shù)導(dǎo)管。飛狼3D公司為AXIOM的雙噴頭3D打印機添加了在業(yè)界享有高度贊譽的雙直驅(qū)動系統(tǒng)，這讓AXIOM雙噴頭3D打印機能夠制作更加干凈的3D打印成品，并且可使得它更易于使用具有挑戰(zhàn)性的材料，如聚丙烯，聚碳酸酯，TPE和TPU等等。WASP公司研制出使用塑料顆粒的3D打印機 DeltaWASP 3MT。美國初創(chuàng)公司 Tecnica推出了名為CASA的桌面級SLS 3D打印機，它的打印速度是同級別機器的250倍，它的打印精度可達 0.07mm，打印尺寸最大可為92x100x150 mm。加拿大蒙特利爾的Dyze Design公司發(fā)布了其最新版本的3D打印擠出機DyzeXtruder GT，采用雙壓驅(qū)動，金屬擠出機構(gòu)，擠推力達到9公斤。德國EOS將推出公司最大、最快的一款DLMS 3D打印機EOS M 400-4，這款設(shè)備安裝有超快的四激光系統(tǒng)，其四個獨立的激光器可以同時制造四個部件。

1.2 技術(shù)情況

NASA馬歇爾航天中心近期采用選擇性激光熔覆技術(shù)（SLS）制造了RS-25發(fā)動機的彈簧Z隔板，該零件用于減緩飛行中發(fā)動機可能遭遇的劇烈震顫，傳統(tǒng)隔板的成形、加工和焊接需要9-10個月，而通過計算機輔助設(shè)計零件，利用SLS建造改隔板僅需9天[1]。寶馬賽車動力系統(tǒng)采用了金屬3D打印水泵輪，實現(xiàn)水泵輪的快速迭代和個性化定制，且無需生產(chǎn)模具，零部件修改的成本接近零[2]。美國哥倫比亞大學(xué)的NOROTTE教授等開發(fā)了一種基于三維自動電腦輔助沉積的生物凝膠球體3D打印技術(shù)，應(yīng)用于無支架的小直徑血管成形，體現(xiàn)了快速成型技術(shù)快速、可重復(fù)和可量化等優(yōu)勢[3]。德國亞琛工業(yè)大學(xué)醫(yī)院 BLAESER等在液體碳氟化合物中打印瓊脂糖凝膠，得到像分支血管樣的中空3D結(jié)構(gòu)[4]。德國卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué) WEGENER教授研究團隊采用激光直寫的方法，制造出了具有堆積木微觀結(jié)構(gòu)的超材料實現(xiàn)了在波長1.4-2.7μm范圍內(nèi)對非偏振光的隱形[5]。上世紀(jì)90年代，瑞典的Chalmers工業(yè)大學(xué)、Arcam公司在政府支持關(guān)注3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了EBSM技術(shù)，并相繼推出了一系列的產(chǎn)品、設(shè)備，尤其是在航天領(lǐng)域[6]，后期的AVIO公司推出了TiAl基合金發(fā)動機葉片，受到了航空制造界的廣泛支持，關(guān)注。

2 國內(nèi)的研究情況

2.1 產(chǎn)品情況

清華大學(xué)自行設(shè)備LOM工藝用紙，同時成功的解決了FDM工藝用蠟和ABS絲材的設(shè)備，并開發(fā)出了系列成型設(shè)備，其先進成型制造教育部重點實驗室研制出國內(nèi)第一臺EBSM-150電子束快速制造裝置，并與西北有色金屬研究院聯(lián)合開發(fā)了第二代EBSM-250電子束快速成形系統(tǒng)[7]，西安交通大學(xué)也在電子束熔融直接金屬成型，以及光固化成型等3D打印基礎(chǔ)工藝方面有深入的研究，并自行研制了LPS系列用光固化樹脂，不過，他們研發(fā)的樹脂由于色澤、機械性能等較差，使用量很小[8]。華中理工大學(xué)，早在上世紀(jì)90年代初就與新加坡KINERGY公司合作，開發(fā)出基于分層疊紙式（LOM）快速成型技術(shù)的Zippy系列快速成型系統(tǒng)，并建立起LOM成型材料性能的測試指標(biāo)和測試方法[9]。華南理工與廣州瑞通激光科技有限公司開發(fā)的 SLM 制造設(shè)備DiMetal-280在特定材料的關(guān)鍵性能方面可以與國外同類產(chǎn)品相媲美[10]。近年來，國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了3D打印機的生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸團隊建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端，目前，國產(chǎn)3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求。

2.2 技術(shù)情況

北京航空航天王華明和他的科研團隊圍繞大型復(fù)雜零件鍛造技術(shù)，不斷創(chuàng)新，尋求突破，用五年時間走出了一條與傳統(tǒng)方法截然不同的新路—通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積，直接根據(jù)零件模型一步完成大型復(fù)雜高性能的金屬零部件，這項技術(shù)的特點是高性能、低成本、短周期，使得很多傳統(tǒng)方法不能做出的構(gòu)件成為了可能[11]。沈陽航空航天大學(xué)激光快速成型實驗室進行了MPLS方面的研究，并開發(fā)出相應(yīng)的可以加工成型的全密度金屬成型零件的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能加工零件的最大成型尺寸為200mm×200mm×100mm，精度達到0.1mm[12]。清華大學(xué)器官制造中心王小紅教授2004年自主研發(fā)出國內(nèi)第一臺細(xì)胞3D打印機，確定幾乎所有細(xì)胞組裝的通用基質(zhì)材料，如明膠纖維蛋白原，并通過了教育部組織的成果鑒定會[13-14]。清華大學(xué)利用自主研發(fā)的國內(nèi)首臺生物材料低溫打印設(shè)備，將合成高分子、生長因子等低溫打印成形[15-18]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國增材制造技術(shù)與世界先進水平基本同步，在高性能復(fù)雜大型金屬承力構(gòu)件增材等部分技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)達到國際先進水平，成功研制出光固化、激光選區(qū)燒結(jié)、激光選區(qū)熔化、激光近凈成型、熔融沉積成型、電子束選區(qū)熔化成型等工藝裝備[19]。

3 目前存在的問題及擬解決方法

3.1 問題

根據(jù)目前國外，國內(nèi)的產(chǎn)品以及技術(shù)研究情況，目前只是利用計算機控制3D打印機，用的是鼠標(biāo)和鍵盤輸入命令，對于專業(yè)基礎(chǔ)不是很強的人來說，難以實現(xiàn)普及化，如果執(zhí)行過程中出現(xiàn)命令錯誤或是不能按照要求實現(xiàn)3D打印，計算機難以及時的反饋這些信息，為什么不讓 3D打印機出現(xiàn)人工智能化的聲音或者僅靠人類一個動作就能簡單的控制3D打印機？

國內(nèi)，國外的3D打印機很少有人利用太陽能作為新的技術(shù)開發(fā)利用，僅僅是從提高3D打印的精度和技術(shù)性能是不夠的，還要實現(xiàn)新型能源與其結(jié)合，從而達到節(jié)約型、普及化的目的。從高效利用能源的角度考慮，我們?yōu)槭裁床荒苤圃煲慌_完全由太陽能提供能源的3D打印機？

針對超細(xì)金屬送粉系統(tǒng)無法精確送粉、光敏樹脂價格昂貴、3D打印成品精度不夠高、材料經(jīng)加熱后堆積過程中無法準(zhǔn)確的把握冷卻的過程，我們不能只從送粉系統(tǒng)的開發(fā)研究上，材料才是重中之重，為什么不能設(shè)計一些敏感的智能材料呢？

傳統(tǒng)的制造業(yè)已然很發(fā)達，有的提出3D打印是第三次工業(yè)革命，然而3D打印新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，為什么不能將3D打印這種增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相結(jié)合？

3.2 擬解決方法

如圖1所示第一個問題牽涉到人機對話，用手勢，語言與3D打印機交流，從而準(zhǔn)確的按照人們的要求去打印實體，打印軟件提前錄入人體的肢體語言和語音，人類在指揮 3D打印時與軟件的某一指令相重合，就會按照軟件里面提前設(shè)定好的程序運行。3D打印機的內(nèi)部設(shè)置全息影像，并在反饋系統(tǒng)中儲存3D打印所有可能出現(xiàn)的動作、狀態(tài)，然后當(dāng)出現(xiàn)3D打印出現(xiàn)打印錯誤，或是在誤差范圍外時，這些動作會激活反饋系統(tǒng)中的相應(yīng)程序，3D打印機這時會用人類的語言告訴你到底發(fā)生了什么。

3D技術(shù)應(yīng)用于大型的金屬構(gòu)件打印，耗費的能源將是巨大的，主要的能源是電，不符合我國的可持續(xù)發(fā)展要求，所以能源問題的解決至關(guān)重要。近年來我國的太陽能開發(fā)已經(jīng)取得顯著成績，太陽能手電筒普及各地，3D制造技術(shù)完全可以與3D打印技術(shù)完美結(jié)合，真正的實現(xiàn)3D打印產(chǎn)業(yè)的綠色化，節(jié)約化。解決了能源問題，3D打印技術(shù)將會在未來走的更遠(yuǎn)。

所謂的智能敏感材料就是指，傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、相應(yīng)功能、自診斷能力和自適應(yīng)能力。[20]現(xiàn)在材料只具備單一功能，要實現(xiàn)材料的真正智能化，必須將智能系統(tǒng)依附于材料內(nèi)或是經(jīng)過信息處理的材料與基本材料相糅合，從而制造出智能的敏感材料。人類依據(jù)材料的反饋內(nèi)容會做出更加精準(zhǔn)的判斷，比如說金屬精細(xì)送粉，現(xiàn)在大部分都是通過氣體送粉，金屬粉末并不能完全的被充分利用。但是智能化納米級材料會自動貼合堆積材料，并將精度從材料本身反饋給系統(tǒng)，這將大大提高3D打印的精度。

目前國內(nèi)的傳統(tǒng)制造業(yè)已經(jīng)成熟，但是高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)依然難以實現(xiàn)。3D打印技術(shù)雖然可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的打印，但是精度還是不夠。大多數(shù)的產(chǎn)品在用3D技術(shù)打印出來后，需要后期的精加工或者是拋光處理。要是能夠開發(fā)一個系統(tǒng)，可以將3D打印與高速銑削相整合。在3D打印過程中如果出現(xiàn)誤差過大，閉環(huán)的控制系統(tǒng)會將3D打印產(chǎn)品拉到傳統(tǒng)的機床，進行車銑刨磨，直到將誤差控制在設(shè)定的范圍以內(nèi)，再重新用3D打印機打印產(chǎn)品。

4 3D打印的未來發(fā)展趨勢

3D打印理論上可以打印任何相對復(fù)雜的零件，3D打印如今已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、建筑、教育等多方面嶄露頭角。

使用3D打印技術(shù)可大幅度降低生產(chǎn)成本，縮短加工周期，提高原材料和能源的使用效率，減少對環(huán)境的影響，并能根據(jù)消費者自身需求量身定制產(chǎn)品，3D打印正在改變我們的生產(chǎn)方式，在未來時代，大批3D打印機將形成制造網(wǎng)絡(luò)，成為個人靈巧的打印工廠。

3D打印與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)緊密結(jié)合在一起，滿足人們的各種需求。人類將會以新的方式進行生產(chǎn)制造，目前的制造格局將會被打破。

3D打印技術(shù)將會更加多元化，滿足市場需求，SLA技術(shù)所用的光敏樹脂材料將會被智能化材料所取代，SLS的送粉系統(tǒng)更加智能化，成型件的打印精度將會大大提高。FDM技術(shù)打印更加迅速、便捷，材料的利用率將達到百分之百3D打印技術(shù)普及到千家萬戶。

5 總結(jié)

基于國內(nèi)外3D打印技術(shù)情況和產(chǎn)品情況，本文提出四個問題并提出擬解決辦法，3D打印技術(shù)自開發(fā)以來，得到廣泛關(guān)注，雖然我國的3D打印技術(shù)起步較晚，但是經(jīng)過各大高校和企業(yè)的不懈努力，取得了顯著的成績，自主研發(fā)許多的產(chǎn)品，為3D打印未來市場打好了基礎(chǔ)。3D打印技術(shù)天生就是為制做復(fù)雜、特殊零件而生，所以深受廣大創(chuàng)客的喜愛，3D打印技術(shù)隨著時間的推移將會被廣大民眾所接受。

[1] 吳復(fù)堯,劉黎明,許沂,等. 3D打印技術(shù)在國外航空航天領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)[J].飛航導(dǎo)彈, 2013(12):10-15.

[2] 崔厚學(xué),高方勇,魏青松. 3D 打印在汽車制造中的應(yīng)用展望【J】.汽車工藝師,2016（9）:38-41.

[3] NOROTTE C,MARGA F S, NIKLASONLE,et al. Scaffold-free vascular tissue engineering using bioprinting[J]. Biomaterials,2009,30:5970-5917.

[4] BLASESER A, CAMPOS D F D,WEBER M, et al. Biofabrication under fluorocarbon: A novel freeform fabrication technique to gene-rate high aspect ratio tissue-engineered constructs[J]. Bio. Research Open Access,2013,2(5):374-384.

[5] ERGIN T, STENGER N, BRENNER P, et al. Theree dimens ional invisibility cloak at optical wavelengths[J]. Science,2010, 328: 337-339.

[6] 胡嵩晗,胡媛茜,李根等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)探究[J].科技展望,2016（25）:282-283.

[7] 柳建,雷爭軍,顧海清等.3D打印行業(yè)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀[J].制造技術(shù)與機床,2015,（03）:17-25.

[8] 陳小文,李建雄,劉華安.快速成型技術(shù)及光固化樹脂研究進展[J].激光雜志,2011,32（3）:1-3.

[9] 樊自田,黃乃瑜,李焰,等. LOM原型材料性能的測試指標(biāo)及測試方法[J].華中理工大學(xué)學(xué)報,1998,26（12）:36-39.

[10] 楊永強,王迪,吳偉輝.金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)研究進展[J].中國激光,2011,38（6）:11.

[11] 劉俊卿.王華明打印大飛機[J].中國經(jīng)濟和信息化,2014（Z1）:43.

[12] 尚曉峰,韓雪冬,于福鑫.金屬粉末激光快速成形技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,23（5）:10-16.

[13] YAN Y N,WANG X H,XIONG Z,et al. Direct construction of a three-dimensional structure with cells and hydroge[J].J.Bioact.compat.Polym,2005,20:259-269.

[14] YAN Y N,WANG X H,PANYQ,et al.Fabrication of viable tissueengineered constructs with 3D cell-assembly technique[J].Biomat-erials, 2005,26:5864-5871.

[15] XU W,WANG X H,YAN Y N,et al.Rapid prototyping of polyure thane for the creation of vascular systems[J].J.Bioact. Compat.Polym,2008,23:103-114.

[16] CUITK,YAN,ZHANG R J,et al.Rapid prototyping of a double layer polyurethane-collagen conduit for peripheral nerve regeneration[J].Tissue Eng.Part C Methods,2009,15:1-9.

[17] CUITK,WANG X H,YAN Y N,et al.Rapid prototyping a new polyurethane-collagen conduit and its Schwann cell compatibility[J]. j. Bioact. Compat. Polym,2009,24(S1):5-7.

[18] WANG X H,CUITK,YAN Y N, et al.Peroneal nerve regeneration along a new polyurethane-collagen conduit[J]. J. Bioact, Compat.Polym,200924(2):109-127.

[19] 張西平,蘇健強,高健.3D打印技術(shù)及我國的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 3D打印技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化專題,2015(6):17-21.

[20] 張?zhí)烊?噴頭下的世界漫談 3D 打印[J].北京:電子工業(yè)出版社,2015.