3D打印技術(shù)綜述

1、3D打印技術(shù)摘要：3D打印是最近幾年開始流行的一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來 構(gòu)造物體。被認為推動了第三次工業(yè)革命進程的3D打印技術(shù)，涉及信息技術(shù)、材料科學、精密機械等多個方面。投入民用工業(yè)是近年來的事，多用于大型制造業(yè)。本文從文獻研究入手，介紹3D打印機的原理和技術(shù)，以及在各領(lǐng)域的應(yīng)用和出現(xiàn)的產(chǎn)品；最后討論了目前3D打印應(yīng)用的前景、優(yōu)勢和不足。關(guān)鍵詞：3D打印；3D打印原理、技術(shù)；3D打印應(yīng)用一、3D打印概念3D打?。?D printing），即快速成型技術(shù)的一種，也稱為增材制造技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印

2、的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”?？焖俪尚图夹g(shù)誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)。3D打印技術(shù)被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”，早在20世紀90年代中期就已出現(xiàn)，但由于價格昂貴，技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推廣普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)已更加嫻熟、精確，且價格有所降低。二、3D打印原理和過程“3D打印”層層印刷的原理和噴墨打印機類似，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型的方式來“造型”，會將設(shè)計產(chǎn)品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層一層疊加起來，最終在計算機上的藍圖變

3、為實物。 3D打印是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散，然后是噴灑一層均勻的粉末。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用，加工過程僅需確定所需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗費僅相當于傳統(tǒng)制造的十分之一，而誤差可輕易控制到0.1mm之內(nèi)。它無需生產(chǎn)線，亦可制造那些常規(guī)方法無法生產(chǎn)的奇形怪狀的零件。三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切

4、片，從而指導打印機逐層打印。分步驟描述如下：1、 三維建模通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的 DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成二維模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等二維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。2、分層切割由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步處理，即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。3、打印噴涂由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到二維空間中，根據(jù)工作原

5、理的不同，有多種實現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)；或是通過高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時幾分鐘到數(shù)天不等。4、后期處理模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面。這時需要對模型進行后期加工，如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。三、3D打印材料在3D打印領(lǐng)域，材料是技術(shù)的核心之一，可以使用很多種材料，如陶瓷、鋼化玻璃、石膏、無機粉料、ABS塑料、PLA(聚乳酸尼龍、玻璃填充聚胺、光固化材料、銀、鈦、鋼、蠟、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出來的材料以ABS(熱塑料）和樹脂

6、為主，材質(zhì)在機器內(nèi) “熔化”，通過不同比例的材料混合，可以產(chǎn)生出將近120種軟硬不同的新材料。工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。 PC材料，是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零部件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。 PC-ISO材料，是一種通過醫(yī)學衛(wèi)生認證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復(fù)，牙科等專業(yè)領(lǐng)域。 PC-ABS材料，是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車，家電及通信行業(yè)。光敏樹脂即是UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有

7、光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250-300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。一般為液態(tài)，一般用于制作高強度、耐高溫、防水等的材料。 Somos 19120材料為粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ停苊忾_模具的風險，大大縮短周期。 擁有低留灰燼和高精度等特點。 Somos 11122材料為半透明材質(zhì)，類ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學研究、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計等行業(yè)。 Somos Next材料為白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的部件擁有最先進的剛性和韌性結(jié)合。另外3D打印常用材料

8、有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。四、3D打印技術(shù)許多相互競爭的技術(shù)是可用的。它們的不同之處在于以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件，并且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或軟化可塑性材料的方法來制造打印的“墨水”例如：選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）和混合沉積建模（fused deposition modeling，F(xiàn)DM），還有一些技術(shù)是用液體材料作為打印的“墨水”的，例如：立體平板印刷（stereolithography，SLA）、分層實體制造（laminated object manufacturing，

9、LOM）。3D打印的技術(shù)主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，下面我們簡單介紹三種主流技術(shù)：1、立體光刻造型技術(shù)(SLA)：可以想象一下把一根黃瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由軟件把3D的數(shù)字模型，“切”成若干個平面，這就形成了很多個剖面，在工作的時候，有一個可以舉升的平臺，這個平臺周圍有一個液體槽，槽里面充滿了可以紫外線照射固化的液體，紫外線激光會從底層做起，固化最底層的，然后平臺下移，固化下一層，如此往復(fù)，直到最終成型。其優(yōu)點是精度高，可以表現(xiàn)準確的表面和平滑的效果，精度可以達到每層厚度0.05毫米到0.15毫米。缺點則為可以使用的材料有限，并且不能多色成型。2、熔融沉積成型技術(shù)

10、，同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。學過高等數(shù)學的朋友都知道積分，熔融沉積成型技術(shù)，就是把材料用高溫熔化成液態(tài)，然后通過噴嘴擠壓出一個個很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后立即固化，通過這些顆粒在立體空間的排列組合形成實物。這種技術(shù)成型精度更高、成型實物強度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。3、選擇性激光燒結(jié)(簡稱SLS)不同材料的粉末為原料SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面

11、；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結(jié)下層截面。選擇性激光燒結(jié)的特點：材料多樣且性能接近普通工程塑料材料；無碾壓步驟因此Z向的精度不容易保證好；工藝簡單，不需要碾壓和掩模步驟；使用熱塑性塑料材料可以制作活動鉸鏈之類的零件；成型件表面多粉多孔，使用密封劑可以改善并強化零件；使用刷或吹的方法可以輕易地除去原型件上未燒結(jié)的粉末材料 。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，因而一些公司會提供多種打印機以供選擇。一般來說，主要的考慮因素是打印的速度和成本，三維打印機的價格，物體原型的成本，還有材料以及色彩的選擇和成本

12、。可以直接打印金屬的打印機價格昂貴。有時候人們會先使用普通的三維打印機來制作模具，然后用這些模具制作金屬部件。五、3D打印相關(guān)軟件 Blender、SketchUp、AutoCAD 在3D打印的制作過程中，用到軟件的方面應(yīng)該是在3D打印的三維模型設(shè)計上（不包括其余過程中的常用的操作軟件）。模型的設(shè)計可以說是整個3D打印過程的核心部分，是3D打印產(chǎn)品的根本。在此介紹幾種建立三維數(shù)字化模型的建模軟件。Blender：Blender是一個開源的多平臺輕量級全能三維動畫制作軟件，提供從建模，動畫，材質(zhì)，渲染，到音頻處理，視頻剪輯的一系列動畫短片制作解決方案。blender以python為內(nèi)建腳本，支持

13、yafaray渲染器，同時還內(nèi)建游戲引擎。完整集成的創(chuàng)作套件，提供了全面的3D創(chuàng)作工具，包括建模（modeling）、uv映射（uv-mapping）、貼圖（texturing）、索鏈關(guān)連（rigging）、蒙皮（skinning）、動畫（animation）、粒子（particle）和其它系統(tǒng)的模擬、腳本控制（scripting）、渲染（rendering）、合成（compositing）、后期處理（post-production）和游戲制作；SketchUp：Google Sketchup是一套直接面向設(shè)計方案創(chuàng)作過程的設(shè)計工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達設(shè)計師的思想而且完全滿足與客戶即時

14、交流的需要，它使得設(shè)計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設(shè)計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。googleSketchUp軟件同3dmax等3維制作軟件同樣，有豐富的模型資源，在設(shè)計中可以直接調(diào)用、插入、復(fù)制等進行編輯任務(wù)。AutoCAD：AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美國Autodesk公司首次于1982年開發(fā)的自動計算機輔助設(shè)計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計?，F(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。它的多文檔設(shè)計環(huán)境，讓非計算機專業(yè)人員也能很快地學會使用

15、。在不斷實踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行。六、 3D打印專利分析1、3D打印快速成型技術(shù)的專利申請量趨勢分析通過專利申請的分析，可揭示3D打印技術(shù)領(lǐng)域的歷年專利申請及技術(shù)研發(fā)情況，從而掌握其技術(shù)發(fā)展趨勢及全局動態(tài)。對檢索到的國內(nèi)外3D打印技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量進行統(tǒng)計,結(jié)果見圖1。國外3D打印技術(shù)自誕生到1993年有80件專利，但由于專利申請數(shù)量較低且分布較為分散，為了更好的統(tǒng)計分析，圖1從1993年開始繪制。從圖1可以看出，國外3D打印快速成型技術(shù)在1995年之前處于技術(shù)萌芽期

16、，專利申請量增長緩慢，主要申請人有麻省理工學院、Z公司、3D公司。1996 -1998年期間，專利申請量平穩(wěn)增長，處于平穩(wěn)增長期。1999 -2003年，專利申請量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢,2003年達到高峰, 進入快速成長期，此時美國、歐洲、日本的專利申請所占比重較大。隨后申請量出現(xiàn)下滑的趨勢，此時專利申請數(shù)量變化不大，專利權(quán)人基本穩(wěn)定,處于技術(shù)發(fā)展的相對成熟期，主要是由3D打印技術(shù)的材料及打印對象的限制性導致的，由于專利公開的滯后性,2011年之后的數(shù)據(jù)僅做參考。國內(nèi)自20世紀90年代初才開始涉足3D打印技術(shù)領(lǐng)域，從圖1可以看出，在1999年之前專利申請量較少,說明當時我國3D打印技術(shù)還處于萌

17、芽時期，沒引起足夠的重視，這也是受到3D打印技術(shù)研發(fā)成本高等方面的約束。2000 -2007年間，專利申請量開始穩(wěn)步增長,進入平穩(wěn)增長期，2007年之后專利申請量快速增長，直到2011年達到133件，說明我國目前主要處在研發(fā)的快速成長階段。 圖1. 3D打印技術(shù)專利申請變化趨勢 圖2.國外3D打印技術(shù)專利申請國家分布2、3D打印快速成型技術(shù)的專利申請國家分析通過專利申請國家分析可以了解主要研究者的國家分布及實力情況，見圖2。從圖2可以看出，美國、歐洲、日本、德國、韓國是擁有3D打印技術(shù)專利最多的國家和地區(qū)，申請專利達1750件，占全部專利的69.3%。其中，美國是3D打印技術(shù)研發(fā)領(lǐng)先、實力最雄

18、厚的國家。歐洲、日本的實力也不容小覷。進一步分析可知，美國作為3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，其實力主要集中在大型的3D設(shè)計軟件、3D掃描技術(shù)、基于熔融材料、粘結(jié)材料的成型技術(shù)等方面。此外,英國主要是基于Reprap開源項目的3D桌面打印技術(shù)。日本主要是基于氣泡技術(shù)的三維打印機噴頭的研究。中國專利申請總量是824件，其中外國人在華申 請的國外專利有48件，全部是發(fā)明專利，主要來自美 國、日本、德國等國家。中國本地的專利中，發(fā)明專利 僅有509件，占中國申請總量的61. 8%。從法律狀態(tài) 分析得知，申請專利有119件撤回專利，175件失效專 利，這說明我國在該技術(shù)領(lǐng)域須進一步加大研發(fā)力度, 提升專利質(zhì)量,

19、加強對專利的維護和管理,最終在關(guān)鍵七、3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域和出現(xiàn)的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域近年來,3D打印技術(shù)發(fā)展迅速,在各領(lǐng)域都取得了長足發(fā)展，已成為現(xiàn)代模型、模具和零部件制造的有效手段,在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，在工程和教學研究等領(lǐng)域也占有獨特地位。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、機械制造：3D打印技術(shù)制造飛機零件、自行車、步槍、賽車零件等。2、醫(yī)療行業(yè)：在醫(yī)學領(lǐng)域，借助3D打印制作假牙，股骨頭、膝蓋等骨關(guān)節(jié)技術(shù)應(yīng)用也非常廣，技術(shù)越來越成熟。3、建筑行業(yè)：工程師和設(shè)計師們已經(jīng)接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，同時制作精美，完全合乎設(shè)計者的要求，同時又能

20、節(jié)省大量材料。4、汽車制造行業(yè)：用3D打印技術(shù)為汽車公司制造 自動變速箱的殼體。汽車公司會對變速箱進行各種極端狀況下的測試，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再開模具，然后按照傳統(tǒng)制造方法批量生產(chǎn)，這樣成本就會大大降低。5、教育：可應(yīng)用于模型驗證科學假設(shè)，用于不同學科實驗、教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經(jīng)被用于教學和科研。6、消費品：可應(yīng)用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計和制造。7、文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂：可作為形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達載體?？苹妙愲娪鞍⒎策_運用3D打印技術(shù)塑造了部分角色和道具，3D打印技術(shù)制造的小提琴接近了手工藝的水

21、平。最新產(chǎn)品 在3D打印技術(shù)日漸成熟的趨勢下，越來越來多的科學家和工程研究人員，甚至于建筑設(shè)計師等都致力于3D打印技術(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)，以下舉幾個例子來具體說明3D打印技術(shù)的高速發(fā)展。 圖1. 3D打印機打印出的無人飛機 圖2. 3D打印建筑”D-Shape”航模飛機：在2012年，美國弗吉尼亞大學工程系的研究人員采用最新的3D打印技術(shù)制造了一架無人飛機，機翼寬6.5英尺（約合1.9米），巡航時速達到45英里（約合72千米）。2012年8月和9月初，研究小組在弗吉尼亞州米爾頓機場附近進行了4次飛行測試，這是迄今第三架用于建造飛行的3D打印飛機，巡航速度可達到45英里/小時。3D打印建筑：意大利發(fā)明

22、家Enrico Dini設(shè)計出來的“D-Shape”，可以使用砂礫層、無機粘結(jié)劑打印出一幢兩層小樓。盡管如此強大，讓它打印一座龐大的建筑也太難了，Dini因此建議只用它打印整體結(jié)構(gòu)，外部則使用鋼纖維混凝土來填充。 圖3. 3D打印胚胎干細胞 圖4. 世界首款3D打印汽車3D打印胚胎干細胞：據(jù)英國媒體報道，英國研究人員首次用3D打印機打印出胚胎干細胞，干細胞鮮活且保有發(fā)展為其他類型細胞能力。研究人員說，這種技術(shù)或可制造人體組織以測試藥物，制造器官，乃至直接在人體內(nèi)打印細胞。研究人員在5日出版的生物制造雜志發(fā)表論文說，檢測結(jié)果顯示，打印24小時后，95%以上細胞仍然存活，打印過程未殺死細胞；打印3

23、天后，超過89%細胞存活，而且仍然維持多能性，即分化出多種細胞組織的潛能。3D打印汽車：世界上第一款3D打印汽車面世，這次不是玩具，而是真正能開上馬路的汽車。據(jù)連線雜志報道，Urbee 2是一款三輪的混合動力汽車，它的所有零部件都是3D打印出來的。正如Makerbot和Form 1正在重新定義制造業(yè)，Urbee正在致力于改變我們制造汽車的方式。當然，還有例如骨骼3D打印技術(shù)、3D打印心臟、3D打印房屋、3D打印珠寶等等新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，標示著3D打印技術(shù)在各行業(yè)的快速發(fā)展。八、3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點1、優(yōu)點一是最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔 除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產(chǎn)線而降低了 成本；二是能做到很高的精度和復(fù)雜程度，除了可以表 現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計；三是不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾 具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生 成任何形狀的零件；四是它可以自動、快速、直接和精 確地將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為模型，