3D打印主要成形工藝及其應(yīng)用進(jìn)展

辛艷喜，蔡高參，胡彪，符巨博

應(yīng)用技術(shù)

3D打印主要成形工藝及其應(yīng)用進(jìn)展

辛艷喜，蔡高參，胡彪，符巨博

（浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018）

3D打印是以計算機圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過逐層堆積的方式構(gòu)建實體，具有高柔性制造以及對復(fù)雜零件自由快速成形的特點。從文獻(xiàn)研究入手，重點介紹了光固化成形、熔融沉積制造、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化、三維印刷成形、分層實體制造等典型3D打印工藝的成形原理以及研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上著重概述了3D打印在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用。簡要分析了當(dāng)前3D打印技術(shù)發(fā)展中存在的一些問題并提出了一系列解決方案。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來了革命性改變，其應(yīng)用范圍廣泛，未來一定會融入到人們生活的方方面面。

3D打??；快速原型制造；實體自由制造；增材制造

3D打印，又稱增材制造，是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種高新技術(shù)。該技術(shù)集CAD、數(shù)控、材料、電子、激光等技術(shù)于一體，實現(xiàn)了原型設(shè)計到原型制作的一體化進(jìn)程。3D打印成形系統(tǒng)由CAD模型直接驅(qū)動，能將產(chǎn)品三維模型直接制成實體零件而不必設(shè)計制造模具、夾具，成形過程無人干預(yù)或較少干預(yù)，因此制造周期大幅縮短，能借電鑄、電弧噴涂技術(shù)進(jìn)一步由塑膠件制成金屬模具或者能將快速獲得的塑膠件當(dāng)作易熔鑄模進(jìn)一步澆鑄金屬制件或制造砂型，能根據(jù)CAE的結(jié)果制成三維實體作為實驗?zāi)Ｐ鸵栽u判仿真分析的正確性。近年來3D打印技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。

1 3D打印技術(shù)的基本原理

3D打印技術(shù)基于“離散/堆積成形”思想，其一般步驟為：首先設(shè)計出所要打印產(chǎn)品的三維模型；然后根據(jù)工藝要求按照一定的規(guī)則將該模型離散為一系列有序的二維單元；根據(jù)每個層片的輪廓信息進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇合適的加工參數(shù)并自動生成數(shù)控代碼；由成形系統(tǒng)接受控制指令將一系列層片自動打印成形并逐層堆疊最終得到三維實體[1—2]。3D打印技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 3D打印技術(shù)原理[2]

2 主要成形工藝

3D打印技術(shù)按照成形工藝可分為兩大類：一類是基于激光或高能量密度熱源的成形技術(shù)，包括光固化成形（Stereo lithography appearance，SLA）、分層實體制造（Laminated object manufacturing，LOM）、選區(qū)激光燒結(jié)（Selected laser sintering，SLS）、選區(qū)激光熔化（Selected laser melting，SLM）等。另一類是基于噴射的成形技術(shù)，包括熔融沉積制造（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、三維印刷成形（Three-dimensional printing，3DP）等[2]。

2.1 分層實體制造

供料機構(gòu)將涂有熱熔膠的薄層材料一段段地送至工作臺的上方，切割系統(tǒng)按照計算機提供的當(dāng)前截面輪廓信息對其進(jìn)行切割，熱壓機則將裁出的片層材料壓緊粘合?？缮蹬_支撐正在成形的工件，并在每層成形之后降低一個薄層厚度以便送進(jìn)、切割、粘合新的薄層，最后形成由廢料塊包圍的三維實體，將多余的廢料小塊剔除最終獲得打印件[2—3]。其原理如圖2所示。

LOM技術(shù)的關(guān)鍵是控制激光的強度和切割速度，使它們達(dá)到最佳配合，以便保證良好的切割深度和切口質(zhì)量[4]。LOM成形速度快，加工時刀具沿輪廓進(jìn)行切割而無需掃描整個斷面。在切割成形時原材料只有薄薄的一層膠發(fā)生作用，因此形成的制品變形小且無內(nèi)應(yīng)力[5]。LOM在產(chǎn)品概念設(shè)計可視化、造型設(shè)計評估、熔模制造型芯、直接制模等方面得到了廣泛應(yīng)用[6]，但是，分層實體制造的過程存在著減材行為，因此被認(rèn)為是從傳統(tǒng)減材制造向增材制造的過渡技術(shù)。

圖2 分層實體制造技術(shù)原理[2]

2.2 光固化成形

以光敏樹脂為原料，在計算機控制下紫外激光束按各分層截面的軌跡信息進(jìn)行逐點掃描，被掃描區(qū)內(nèi)的樹脂因聚合反應(yīng)而固化形成制件的一個薄層截面。每一層固化完成后工作臺下移一個層厚的距離，并在之前固化的樹脂表面鋪上一層新的光敏樹脂以便進(jìn)行循環(huán)掃描和固化，直到完成零件的制作[7—9]。SLA技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 光固化成形技術(shù)原理[2]

光固化成形過程自動化程度高、制件原型表面質(zhì)量好、成形尺寸精度高，使其在概念設(shè)計、產(chǎn)品模型、快速工模具等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10]。

2.3 熔融沉積成形

絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，噴頭底部的微細(xì)噴嘴（直徑一般為0.2～0.6 mm）在計算機的控制下依據(jù)模型數(shù)據(jù)移動到指定位置將熔絲擠出，被擠出的熔融物沉積在前一層已固化的表面，通過逐層堆積最終形成三維實體[11]。FDM技術(shù)原理如圖4所示。

FDM成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，是面向個人級3D打印機的首選。通過該技術(shù)設(shè)計人員可以在很短的時間內(nèi)設(shè)計并制作出產(chǎn)品原型，并通過實體對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括概念建模及功能性原型制作等，涉及電子、醫(yī)學(xué)、建筑工程等領(lǐng)域[12]。

圖4 熔融沉積成形技術(shù)原理[2]

2.4 選區(qū)激光燒結(jié)

選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（Selected laser sintering，SLS）結(jié)合了鋪粉技術(shù)與激光燒結(jié)原理，采用紅外激光作為熱源來燒結(jié)粉末材料，以逐層堆積的方式成形三維零件。理論上任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉狀材料都可以作為選區(qū)激光燒結(jié)的成形材料[13]。SLS技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)原理[14]

SLS技術(shù)的成形材料廣泛，能成形任意復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件且無需設(shè)計支撐，成形材料利用率高[15—16]。但是，激光燒結(jié)的加工方式使得在成形過程中不能完全熔化金屬粉末底物，因此制件的致密度低[17]。此外，凝固組織內(nèi)部缺陷質(zhì)量控制要求高，晶粒尺寸、晶粒形態(tài)、晶體取向的控制需要長期探索[18—19]。目前，該技術(shù)常用在新產(chǎn)品的研發(fā)中制造模型件。

2.5 選區(qū)激光熔化

選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selected laser melting，SLM）源于選區(qū)激光燒結(jié)成形思想并在其基礎(chǔ)上得以發(fā)展，它既克服了傳統(tǒng)技術(shù)制造金屬零部件的復(fù)雜工藝難題，又相對解決了選區(qū)激光燒結(jié)成形件致密度低的問題，是一種可以得到高致密度金屬零件的增材制造工藝[20—21]。選區(qū)激光熔化技術(shù)原理如圖6所示。

圖6 選區(qū)激光熔化技術(shù)原理[2]

選區(qū)激光熔化技術(shù)采用精細(xì)聚焦光斑能快速熔化300～500目的預(yù)置粉末，幾乎可以直接獲得任意形狀以及具有完全冶金結(jié)合的功能部件，致密度近乎100%[22]，制件尺寸精度可達(dá)20～50 μm，表面粗糙度可達(dá)20～30 μm[23]。在航空航天、模具制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2.6 三維印刷成形

三維印刷成形（Three-dimensional printing，3DP）工藝原理類似于噴墨打印，是形式上最為貼合3D打印概念的成形技術(shù)[24]。3DP工藝與SLS工藝類似，都是打印粉狀材料，不同之處在于3DP技術(shù)使用的粉末是通過微細(xì)噴頭噴射的粘合劑粘結(jié)成形[25]。3DP工藝成形速度快，成形材料廣泛，適合做桌面型的快速成形設(shè)備。在粘接劑中添加顏料以制作彩色原型是該工藝最具競爭力的特點之一[26]。3DP成形工藝非常適合于制作有限元分析模型和多部件裝配體。值得注意的是，用粘接劑粘結(jié)制作的原型件強度較低，后續(xù)需要做進(jìn)一步的強化處理[27]。3DP工藝原理如圖7所示。

圖7 三維印刷工藝原理[2]

3 3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

3.1 分層實體制造技術(shù)的研究進(jìn)展

分層制造三維物體的思想最早出現(xiàn)在19世紀(jì)的美國，1892年，J. E. Blanther首次在專利中提出用分層制造的方法制作地形圖。1976年，Paul L. Dimatteo提出利用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化成許多二維輪廓薄片，再利用激光切割薄片成形，最后用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗斜∑B接成三維物體。1979年，日本東京大學(xué)的Nakagawa教授開始利用分層實體制造技術(shù)制作落料模、注塑模、壓力機成形模等實際的模具。Michael Feygin于1984年提出了分層實體制造的方法，并于1985年組建了Helisys公司，1990年開發(fā)出了世界上第1臺商用設(shè)備LOM-1015。Helisys公司研制出多種可用于分層實體制造工藝用的成形材料，該公司還與Dayton大學(xué)合作開發(fā)出基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝；蘇格蘭Dundee大學(xué)使用二氧化碳激光器切割薄鋼材，使用焊料或粘接劑制作成形；日本Kira公司PLT2A4成形機采用超硬質(zhì)刀具切割和選擇性粘結(jié)的方法制作成形件；澳大利亞Swinburne大學(xué)開發(fā)了用于LOM工藝的金屬和塑料復(fù)合材料[2]。

國際上除Helisys公司外，日本的Kira公司、瑞典的Sparx公司以及新加坡的Kinergy光控精技有限公司和我國清華大學(xué)、華中科技大學(xué)以及南京紫金立德電子有限公司等也先后從事LOM工藝的研究與設(shè)備的制造[2]。

3.2 光固化成形技術(shù)的研究進(jìn)展

Charles W. Hull于1986年首次提出光固化成形技術(shù)并申請了專利，1988年誕生了第一個商用光固化快速成形系統(tǒng)SLA-1，隨后Hull創(chuàng)立了3D Systems公司并開發(fā)了光固化成形技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，許多關(guān)于快速成形的概念和技術(shù)在3D Systems公司中得以發(fā)展成熟。

目前研究光固化成形技術(shù)的有美國的3D Systems公司、德國的EOS公司、日本的C-MET公司等，國內(nèi)有西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等研究機構(gòu)以及北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司、陜西恒通智能機器有限公司、杭州先臨三維科技股份有限公司等企業(yè)。其中3D Systems公司作為該技術(shù)的開拓者，是全世界最大的快速成形機制造商，該公司在提高光固化成形技術(shù)的制件精度及激光誘導(dǎo)光敏樹脂聚合等方面做了深入的研究，并提出了一系列有效的解決方法[2]。

光固化快速成形技術(shù)已經(jīng)成為目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成形方法。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了以光固化為基礎(chǔ)的數(shù)字投影成形（DLP）技術(shù)和噴射（PolyJet）技術(shù)[2]。

DLP是與SLA基本同時提出的光固化快速成形技術(shù)，但是由于掩膜生成工藝的制約，該技術(shù)的發(fā)展明顯滯后于掃描式快速成形技術(shù)。隨著近年來微型光學(xué)元件技術(shù)的進(jìn)步，面曝光快速成形技術(shù)得到了發(fā)展?；诿嫫毓獬尚渭夹g(shù)，2015年，美國北卡羅來納大學(xué)的工程師發(fā)明了“連續(xù)液體界面生產(chǎn)”（CLIP）技術(shù)，使光固化3D打印的速度提高了近百倍[28—33]。2019年末，Mirkin團(tuán)隊開發(fā)了“高面積快速打印”（HARP）技術(shù)，實現(xiàn)了大尺寸物體的快速成形[29,34]。

PolyJet是全球首例可以實現(xiàn)不同模型材料同時噴射的技術(shù)。PolyJet擁有全球最先進(jìn)的三維打印系統(tǒng)，可以在單個建造工作中打印由不同機械和物理特性材料組成的零部件，其工作原理是通過控制每個打印頭上的噴嘴，根據(jù)方位和模型類型從指定的噴嘴噴射設(shè)置好的模型材料，從而使用戶可以選擇和構(gòu)建出最合適、最貼近設(shè)計目標(biāo)的材料。該技術(shù)將引領(lǐng)3D打印技術(shù)發(fā)展的新方向[2]。

3.3 熔融沉積成形技術(shù)的研究進(jìn)展

Scott Crump于1988年首先提出了熔融沉積成形思想并成立了Stratasys公司。自1993年以來Stratasys公司先后推出了FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM3000和FDM8000等機型，特別是FDM-Quantum機型，采用擠出頭磁浮定位系統(tǒng)，可同時獨立控制兩個噴頭，其中一個噴頭用于填充成形材料，另一個噴頭用于填充支撐材料，其造型速度為過去的5倍。目前，Stratasys公司的Mojo，Dimension，uPrint，F(xiàn)ortus等多個產(chǎn)品均采用FDM為核心技術(shù)[2]。

近年來，桌面級FDM成形設(shè)備發(fā)展迅猛。最具代表性的桌面級FDM品牌有MakerBot公司的MakerBot Replicator系列、3D Systems公司的Cube系列、北京太爾時代科技有限公司的UP系列以及杭州先臨三維科技股份有限公司的Einstart系列等[2]。

3.4 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展

選區(qū)激光燒結(jié)快速成形思想是由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Dechard于1986年首次提出，隨后德克薩斯大學(xué)于1988年成功研制了第1臺SLS成形機并取得了這一技術(shù)的發(fā)明專利，1992年授權(quán)DTM公司將SLS系統(tǒng)商業(yè)化，隨后推出了Sinterstation 2000系列商品化成形機。在選區(qū)激光燒結(jié)成形技術(shù)的研究方面，DTM公司擁有多項專利，無論是在成形設(shè)備還是在成形材料方面均處于領(lǐng)先地位，該公司于2001年被3D Systems公司收購，因此，3D Systems公司擁有較為先進(jìn)的SLS技術(shù)[2]。

另一家在SLS技術(shù)方面占有重要地位的是德國EOS公司。該公司推出了3個系列的SLS成形機，其中EOSINT P用于燒結(jié)熱塑性塑料粉末，制造塑料功能件及熔模鑄造和真空鑄造的原型；EOSINT M用于金屬粉末的直接燒結(jié)，制造金屬模具和金屬零件；EOSINT S用于直接燒結(jié)樹脂砂，制造復(fù)雜的鑄造砂型和砂芯[2]。

我國從1994年開始選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的研究并取得了一定的成果。北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司于1995年成功研制了第1臺國產(chǎn)化AFS激光快速成形機，隨后華中科技大學(xué)研制出HRPS系列的SLS設(shè)備，這兩家單位的SLS成形設(shè)備均已產(chǎn)業(yè)化。此外，南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)、湖南華曙高科技有限公司等單位也在研究選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)[2]。

3.5 選區(qū)激光熔化技術(shù)的研究進(jìn)展

選區(qū)激光熔化技術(shù)思想源于SLS技術(shù)并在其基礎(chǔ)上得以發(fā)展。得益于計算機的發(fā)展及激光器制造技術(shù)的逐漸成熟，德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所最早深入地探索了激光完全熔化金屬粉末的成形，并于1995年首次提出了SLM技術(shù)。在其技術(shù)支持下，德國EOS公司于1995年底制造了第1臺SLM成形設(shè)備。隨后，英國、德國、美國等歐美國家的眾多公司開始相關(guān)研究[2]。

SLM設(shè)備的研發(fā)涉及光學(xué)（激光）、機械、自動化控制及材料等一系列專業(yè)知識，目前歐美等發(fā)達(dá)國家在SLM設(shè)備的研發(fā)及商業(yè)化進(jìn)程上處于世界領(lǐng)先地位。英國MCP公司自推出第1臺SLM-50設(shè)備之后又相繼推出了SLM-100以及第3代SLM-250設(shè)備。德國EOS Gmbh公司現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大、同時也是技術(shù)最領(lǐng)先的選區(qū)激光熔化系統(tǒng)的制造商。EOS公司開發(fā)的EOSINT M280增材制造設(shè)備采用了“纖維激光”系統(tǒng)，可形成更加精細(xì)的激光聚焦點以及很高的激光能量，可以將金屬粉末直接燒結(jié)而得到最終產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)效率。美國3D Systems公司推出了sPro系列SLM 250商用3D打印機，使用高功率激光器，根據(jù)CAD數(shù)據(jù)逐層熔化金屬粉末以創(chuàng)建功能性金屬部件，該3D打印機能夠提供長達(dá)320 mm的工藝金屬零件的成形，所得制件具有出色的表面粗糙度、精細(xì)的功能性細(xì)節(jié)與嚴(yán)格的公差。除了以上幾大公司進(jìn)行SLM設(shè)備商業(yè)化生產(chǎn)外，國外還有很多高校和科研機構(gòu)進(jìn)行SLM設(shè)備的自主研發(fā)，如比利時的魯汶大學(xué)、日本的大阪大學(xué)等[2]。

國內(nèi)SLM設(shè)備研發(fā)工作與國外相比起步較晚，設(shè)備穩(wěn)定性方面稍顯落后，但整體性能相當(dāng)，主要研究單位有華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。

3.6 三維印刷成形技術(shù)的研究進(jìn)展

1989年，美國麻省理工學(xué)院的Emanual Sachs申請了3DP專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。1992年，Emanual Sachs利用平面打印機噴墨的原理成功噴射出具有粘性的溶液，再根據(jù)三維打印的思想以粉末為打印材料，最終獲得三維實體模型。1993年，Emanual Sachs的團(tuán)隊開發(fā)出基于噴墨技術(shù)與3D打印成形工藝的3D打印機[2]。

3DP技術(shù)自出現(xiàn)以來，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，在三維印刷成形零件的性能、打印材料、粘接劑和設(shè)備方面均有大量研究。Crau等打印出粉漿澆注的氧化鋁陶瓷模具，與傳統(tǒng)燒制而成的陶瓷模具相比，3DP工藝制作出來的強度更高，耗時更短。Lam等用淀粉基聚合物作原料，以水為粘接劑，打印出一個支架。Lee打印出三維石膏模具，其孔隙均勻，連通性好。Moon發(fā)現(xiàn)粘接劑的相對分子質(zhì)量需小于15 000，且研究了粘接劑和材料對成形參數(shù)的影響，使三維打印模型的應(yīng)用領(lǐng)域有了很大擴展。美國加州大學(xué)OrmeM開發(fā)的3DP設(shè)備樣機可應(yīng)用于印刷電路板、電子封裝等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)[2]。

國內(nèi)學(xué)者也很關(guān)注基于噴射技術(shù)的三維印刷成形工藝，并在有些方向取得了一定的研究成果。西安交通大學(xué)盧秉恒等[35]研制出一種基于壓電噴射機理的三維印刷成形機噴頭。清華大學(xué)顏永年等[36]以納米磷灰石膠原復(fù)合材料和復(fù)合骨生長因子作為成形材料，采用液滴噴射成形的方式制造出多孔、非均質(zhì)的細(xì)胞載體支架結(jié)構(gòu)。蘇州銳發(fā)打印技術(shù)有限公司研制的熱發(fā)泡噴頭，最小噴射墨滴為4 pL（1 pL=10?15m3），具有1200 dpi的分辨率。

4 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

4.1 3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

在高速發(fā)展的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)正發(fā)揮著顯著作用。生物3D打印是生命科學(xué)與現(xiàn)代制造技術(shù)交叉的新興技術(shù)，它是將3D打印技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用特殊材料來制造具有生物活性的人工器官植入物或細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)[37]。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用分為4個層次[38]。

第1層次的應(yīng)用主要用于制作術(shù)前診斷模型及體外醫(yī)療器械，這是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最初始的應(yīng)用[39—40]。通過計算機輔助3D打印技術(shù)制造的器官模型讓醫(yī)生在術(shù)前就能對復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)有更充分的認(rèn)識和模擬演練的機會，使醫(yī)生在術(shù)中操作更為精準(zhǔn)安全[41]。1992年，Stoker等[39]首次將SLA技術(shù)制件用于顱頜面外科手術(shù)的術(shù)前模擬，開創(chuàng)了3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的先河。

第2層次是使用鈦、鉭等惰性金屬材料打印不可降解的人體植入物，這些材料具有優(yōu)異的生物相容性、耐蝕性、高強度等優(yōu)點[42—43]。2012年2月10日，比利時哈塞爾特大學(xué)成功地為一名患者植入了3D打印的下頜骨，這是世界上首次完全使用定制植入物代替整個下顎的案例。

第3層次是采用可降解的生物相容材料制造仿生組織工程支架。這種結(jié)構(gòu)具有密布的大小孔，大孔有利于細(xì)胞長入和準(zhǔn)確再生，小孔可增加材料中的營養(yǎng)通道。通過提取人體的一些細(xì)胞在多孔的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，待細(xì)胞長到一定程度后植入人體，一段時間后支架材料會慢慢降解并排出體外，最終讓位于細(xì)胞和組織。醫(yī)學(xué)上通常采用這種方法來修復(fù)人體受損組織。

第4層次的應(yīng)用是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新研究方向，著眼于直接打印活性細(xì)胞等有機物。對于那些需要器官移植的患者來說，3D打印技術(shù)無疑是他們的福音。一方面我們無需擔(dān)心不同機體器官之間的排異反應(yīng)，另一方面，相較于人體器官，3D打印成本更低，例如打印一個人體心臟瓣膜只需要10美元的高分子材料即可。

圖8為一個由水凝膠3D打印而成、模擬肺功能的氣囊。這一打印的“血管結(jié)構(gòu)”具有足夠的強度，不會因為血液流動而破裂。此外，它也能承受對吸氣和呼氣的模擬[14]。

圖8 具有肺功能的3D打印氣囊[14]

4.2 3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天技術(shù)是國防實力的象征，也是國家政治的體現(xiàn)形式，各國都試圖以更快的速度研制出新型武器裝備以使自己在國防領(lǐng)域處于不敗之地。20世紀(jì)研發(fā)新一代戰(zhàn)機至少需要10～20年的時間，由于3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或任何模具就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，所以如果借助3D打印技術(shù)，只需3年左右的時間就能研制出新一代戰(zhàn)機，加之該技術(shù)的高柔性制造特點以及對復(fù)雜零件的自由快速成形，金屬3D打印將在航空航天領(lǐng)域大放異彩[44—45]。

近年來，國內(nèi)外企業(yè)與研究機構(gòu)利用3D打印技術(shù)，不僅制造了飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、載人飛船的零部件，還制造出了發(fā)動機、無人機、微衛(wèi)星整機等零部件。

北京航空航天大學(xué)王華明教授完成了直徑550 mm的鎳基高溫合金發(fā)動機渦輪盤樣件的制作，該機葉片在900 ℃環(huán)境下的疲勞強度比第二代單晶高出40%。2018年我國發(fā)射的嫦娥四號中繼衛(wèi)星搭載了多個采用增材制造技術(shù)研制的復(fù)雜形狀鋁合金構(gòu)件。此外，我國第1款本土商用飛機C919、第1款艦載戰(zhàn)斗機殲-15、多用途戰(zhàn)略轟炸機殲-16、第5代隱形戰(zhàn)斗機殲-20、殲-31等均使用了3D打印技術(shù)。

圖9為美國Relativity Space公司制造的一種幾乎全3D打印的火箭。該火箭旨在將1250 kg的重物送入低地球軌道，計劃2021年首次試射[46]。

圖9 3D打印火箭[46]

4.3 3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印建筑的理念是在2012年3D打印展上提出的。3D打印建筑是應(yīng)用計算機軟件設(shè)計出立體的制作模型，然后通過特定的成形設(shè)備（即3D打印機）用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層疊加打印出設(shè)計圖所繪制的建筑實體[14]。

目前，3D打印在建筑裝飾領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，個性化的3D打印裝飾部件已經(jīng)成功應(yīng)用于水立方、上海世博會大會堂、國家大劇院等上千個建筑項目。

3D打印技術(shù)在建筑實體領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索和快速發(fā)展階段，真正進(jìn)入商業(yè)化的案例很少，但是也產(chǎn)生了很多重要的驗證實體建筑，如莫比烏斯環(huán)屋（風(fēng)景屋，見圖10）、月球基地、荷蘭“運河屋”等[14]。

除了3D打印實體建筑，3D打印技術(shù)還可以應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的設(shè)計，通過3D打印出的建筑模型可以將建筑師的設(shè)想和草圖真實地表現(xiàn)出來，從而更好地向客戶展示設(shè)計師的設(shè)計理念。3D打印模型是建筑創(chuàng)意實現(xiàn)可視化與無障礙溝通的最好方法。

圖10 莫比烏斯環(huán)屋[14]

5 當(dāng)前3D打印技術(shù)發(fā)展存在的問題

當(dāng)前3D打印技術(shù)的發(fā)展尚不成熟，主要面臨以下幾個方面的問題[47]。

1）設(shè)計工具需要進(jìn)一步優(yōu)化。要開發(fā)出易于操作的設(shè)計工具用于產(chǎn)品設(shè)計，對于功能部件制造，需要新的工具來優(yōu)化形狀和材料性能。

2）可供打印的材料范圍需要持續(xù)拓寬。目前可用的打印材料不多，未來仍需開發(fā)更多的材料，并深入研究材料的加工、結(jié)構(gòu)、屬性之間的關(guān)系，明確材料的優(yōu)點及局限性，并提供規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。

3）生產(chǎn)過程需要加強工藝控制。為了提高生產(chǎn)過程的連貫性、重復(fù)性和統(tǒng)一性，需要建立相應(yīng)的3D打印裝備認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，并對生產(chǎn)過程進(jìn)行內(nèi)部監(jiān)控和閉環(huán)反饋；為了更好地預(yù)測材料性能和零部件功能特性，需要建立預(yù)測性模型并通過調(diào)整設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果。

4）3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要加強必要的監(jiān)管。應(yīng)防止不法分子私自下載槍支設(shè)計軟件并借助3D打印技術(shù)隨意制造槍械，應(yīng)避免3D打印技術(shù)用于人體器官的非法制作等違法行為和倫理道德問題。

總之，3D打印技術(shù)的發(fā)展初期要靠國家相關(guān)部門來統(tǒng)籌布局合理安排，在有技術(shù)、有人才資源、有市場基礎(chǔ)的地方先行先試，根據(jù)效果進(jìn)行推廣，在示范的過程中制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)積累發(fā)展經(jīng)驗。

6 3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

3D打印技術(shù)興起于20世紀(jì)八九十年代，發(fā)展于21世紀(jì)初，在2012年已悄然成為科技界研究熱點。英國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》的報道認(rèn)為3D打印將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式共同推動實現(xiàn)新技術(shù)的發(fā)展。美國《時代》周刊已將3D打印制造列為美國十大增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。

我國正處于從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”邁進(jìn)的重要時期，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)能夠讓設(shè)計師在很大程度上從制造工藝及裝備的約束中解放出來，更多關(guān)注產(chǎn)品的創(chuàng)意創(chuàng)新、功能性能。

3D打印技術(shù)對于增強我國制造業(yè)自主創(chuàng)新能力具有重要意義。為此，我國采取了多項政策來推進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展，2017年，我國制定了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》與《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018—2020年）》，力求經(jīng)過3D打印等前沿技術(shù)來鞭策相關(guān)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)智能化升級，并讓人工智能和制造業(yè)進(jìn)行深度融合。

3D打印正在如火如荼的發(fā)展，我們也正經(jīng)歷著增材制造給我們生活帶來的變革。3D打印勢必會對傳統(tǒng)的制造技術(shù)帶來革命性改變，也必定會成為新時代的標(biāo)桿。

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Recent Development of Main Process Types of 3D Printing Technology and Application

XIN Yan-xi, CAI Gao-shen, HU Biao, FU Ju-bo

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Based on computer graphics data, 3D printing builds objects by stacking layer by layer. It is featured with high flexibility manufacturing and free rapid formation of complex parts. Starting with literature research, the forming principle and research progress of typical 3D printing processes such as stereo lithography appearance, fused deposition modeling, selected laser sintering, selected laser melting, three-dimensional printing and laminated object manufacturing. On this basis, the application of 3D printing in biomedicine, aerospace and construction engineering were mainly introduced. Some problems existing in the development of 3D printing technology were briefly analyzed. And a series of solutions were put forward. The emergence of 3D printing technology brings revolutionary changes to the traditional manufacturing technology. It has a wide range of applications and will be integrated into all aspects of people's life in the future.

3D printing; rapid prototyping manufacturing; free-form fabrication of object; additive manufacturing

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.022

TP391.73

A

1674-6457(2021)06-0156-09

2021-03-29

中國博士后基金（2018M642482）；浙江省自然科學(xué)基金（LQ18E050010）

辛艷喜（1993—），男，碩士生，主要研究方向為金屬材料的增材制造。

蔡高參（1985—），男，博士，特聘副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為充液成形、增材制造。