3D打印技術的研究現(xiàn)狀和前景

1、材料科學基礎讀書報告制作人：X X時 間：X.X.X3D打印技術1、 3D打印的概念我們日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型

2、，制造出實體產品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。2、 3D打印的原理3D打印并非是新鮮的技術，這個思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發(fā)展和推廣。中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟把它稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。三維打印通常是采用數字技術材料打印機來實現(xiàn)。這種打印

3、機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。使用打印機就像打印一封信：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時，軟件通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列數字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會將連續(xù)的薄型層面堆疊起來，直到一個固態(tài)物體成型。3D打印機與傳統(tǒng)打印機最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實實在在的原材料。3、 3D打印的過程1) 三維設計階段：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，即切片，從而指導打印機逐層打印。設計軟件和打

4、印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。2) 打印過程：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米。而平面方向則可以打印出跟激

5、光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。3) 完成：三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方

6、法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。4、 3D打印的技術許多相互競爭的技術是可用的。它們的不同之處在于以不同層構建創(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（selective laser sintering，SLS）和混合沉積建模（fused deposition modeling，F(xiàn)DM），還有一

7、些技術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，LOM）。3D打印的技術主要包括SLA、FDM、SLS、LOM等工藝，簡單介紹三種主流技術：1) 立體光刻造型技術(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，

8、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：同樣是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一樣。熔融沉積成型技術，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(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。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已

9、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；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面。選擇性激光燒結的特點：發(fā)明于1989年；比SLA要結實的多，通?？梢杂脕碇谱鹘Y構功能件；激光束選擇性地熔合粉末材料：尼龍、彈性體、未來還有金屬；優(yōu)于SLA的地方：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

10、方法可以輕易地除去原型件上未燒結的粉末材料 。5、 3D打印的材料（1） 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。1) 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，應用于交通工具及家電行業(yè)。2) PC-ISO材料：是一種通過醫(yī)學衛(wèi)生認證的熱塑性材料，廣泛應用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術模擬，顱骨修復，牙科等專業(yè)領域。3) PC-ABS材料：是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料，應用于汽車，家電及通信行業(yè)。（2） 光敏樹脂即是UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有

11、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。1) Somos 19120材料為粉紅色材質，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟膜原型，避免開模具的風險，大大縮短周期。 擁有低留灰燼和高精度等特點。2) Somos 11122材料為半透明材質，類ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學研究、工藝品制作和工業(yè)設計等行業(yè)。3) Somos Next材料為白色材質，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質量更佳，制作的部件擁有最先進的剛性和韌性結合。（3）

12、全彩色石膏材料材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結合在一起，同時用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來的產品堅硬，稍脆，但它是唯一一個可以打印全彩色的材料，打印出來的樣品色彩亮麗，栩栩如生。適用設備：Zprinter 彩色立體打印機。（4） 尼龍材料通過激光粉末燒結技術，一層層的通過紅外激光將燒結成型。適用于EOSP塑料尼龍粉末燒結成型設備。（5） 鋁材料尼龍鋁模型是由一種灰色鋁粉及腈綸混合物制作而成。尼龍鋁是一種高強度并且硬挺的材料，做成的樣件能夠承受較小的沖擊力，并能在彎曲狀態(tài)下抵抗一些壓力。它的表面是一種沙沙的、粉末的質感，也略微有些疏松。（6） 鈦合金生產最終使用的金屬樣件，質量可媲美開模加工

13、的模型。鈦合金模型的強度非常高，尺寸精密，能制作的最小細節(jié)的尺寸為0.1mm。（7） 不銹鋼不銹鋼模型是用一種加入了銅成分的不銹鋼粉打印而成。不銹鋼打印在金屬打印上來講算是最便宜的一種打印形式，既具有高強度，又適合打印大物品。（8） 生物材料：既是細胞，用于各種生物支架的制作。6、 3D打印成果1) 航模飛機：據國外媒體報道，3D打印機曾用于制造一些機械零部件和小玩具，但是在2012年，美國弗吉尼亞大學工程系的研究人員采用最新的3D打印技術制造了一架無人飛機，機翼寬6.5英尺（約合1.9米），由打印零件裝配構成，巡航時速達到45英里（約合72千米）。 研究人員稱，2007年為了設計建造一個塑料

14、渦輪風扇發(fā)動機需要兩年時間，成本大約25萬美元。但是使用3D技術，設計和建造這架3D飛機僅用4個月時間，成本大約2000美元。這將創(chuàng)建一個前所未有的飛行教學平臺。2) 神奇的超級3D打印機：科學家研制了一款神奇的3D打印機，可用于未來行星登陸時建造基地的任務中。比如，未來在月球基地中生活的宇航員可以使用這款3D打印機，將月球上巖石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。至2012年為止，其應用范圍幾乎可以將任何固體材料制造成所需的工具，可以允許未來的探險家建設外星球基地。3) 骨骼3D打印技術：美國研究人員利用3D打印機開發(fā)骨骼打印技術，造出類似骨骼的材料。研究人員說，它可被用于骨科、牙科治療或開

15、發(fā)治療骨質疏松癥藥物。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領域一類重要的骨修復材料，可模擬人體自然骨結構，適宜細胞和骨組織的長入。研究發(fā)現(xiàn)，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強度提升一倍。研究人員使用一部先前用于打印金屬材料的3D打印機制造類骨骼物質。它在粉末層上噴出塑料黏合劑，粉末層厚度僅為一根頭發(fā)絲寬度的一半。粉末層層疊加，干燥后達到要求的支架厚度，然后在1250攝氏度下烘烤2小時。實驗室環(huán)境下的未成熟骨細胞生長測試顯示，支架上的骨細胞在移植一周內開始生長。在兔子和老鼠身上的活體實驗同樣得到可喜效果。研究人員說，這種類骨骼物質可被添加到受損自然骨上，當作支架材料，促使細胞和骨組織生

16、長，而且這種類骨骼物質可最終降解，沒有“明顯負面效果”。他們說，數年后，醫(yī)生可利用這一技術定做更換骨組織。2009年，瑞士研究人員復制出一名男子的拇指骨骼。德國夫瑯禾費界面工程與生物工程研究所研究人員把立體打印技術與雙光子聚合技術相結合，于2009年開發(fā)出血管打印技術。打印時，打印機發(fā)出兩束強激光，焦點對準同一分子。這個分子同時吸收兩個光子，即所謂的雙光子聚合。經過雙光子聚合的分子變成一個有彈性的固體，研究人員用它來制造高精度的彈性結構，也就是血管。4) 3D打印建筑：荷蘭阿姆斯特丹建筑大學的建筑設計師簡加普魯基森納斯(Janjaap Ruijssenaars)設計了全球第一座3D打印建筑物“

17、Landscape House”，而且特別模擬了奇特的莫比烏斯環(huán)。莫比烏斯環(huán)(Mbius strip/Mbius band)，是一種拓撲學結構，只有一個面(表面)和一個邊界，由德國數學家、天文學家莫比烏斯和約翰李斯丁1858年獨立發(fā)現(xiàn)。它可以用一個紙帶旋轉半圈再把兩端粘上之后輕而易舉地制作出來，本身具有很多奇妙的性質。魯基森納斯和數學家、藝術家里努斯羅洛夫斯(Rinus Roelofs)共同設計了這個項目，將會利用3D打印機逐塊打印出來，每一塊的尺寸都達到了69米，然后拼接成一個整體建筑，預計需要耗時一年半才能完成。和打印一般小東西不同，這次需要用到的3D打印機也十分龐大，是由意大利發(fā)明家恩里

18、科迪尼(Enrico Dini)設計出來的“D-Shape”，可以使用砂礫層、無機粘結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，迪尼因此建議只用它打印整體結構，外部則使用鋼纖維混凝土來填充。 魯基森納斯打算帶著這個項目參加歐洲大賽。這項賽事在歐洲十五個國家每兩年舉辦一次，主要面向年輕的立體設計師，并為他們準備50個真實的場地來實現(xiàn)構想。5) 3D打印胚胎干細胞：據英國媒體報道，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，乃至直接在人體內打印細胞。研究人員表示，打印24小

19、時后，95%以上細胞仍然存活，打印過程未殺死細胞；打印3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。胚胎干細胞3D打印機配備兩個“生物墨盒”，一個裝著浸在細胞培養(yǎng)基中的人體胚胎干細胞，另一個只有培養(yǎng)基。計算機控制微調閥噴出“墨水”，速度可通過改變噴口直徑實現(xiàn)精確控制。打印機上有顯微鏡顯示細胞打印情況。兩種“墨水”一層一層間隔噴灑，形成不同濃度細胞飛沫，最小飛沫體積僅2納升，包含大約5個細胞。飛沫被噴入有諸多凹孔的培養(yǎng)皿中，翻轉培養(yǎng)皿，飛沫形成懸液，在各凹孔內“抱成團”。打印機可精確控制飛沫大小，使干細胞達到分化最佳狀態(tài)。6) 3D打印房屋：據國外媒體報道，英國倫敦

20、的一家建筑企業(yè)Softkill Design率先提出了3D打印房屋的新概念原材料來自塑料，外觀像蜘蛛網。該企業(yè)表示，如果市場接受這種新概念3D打印房屋，今年夏天或可建造出首個實體房屋。設計成員之一的吉爾瑞特森表示，這項發(fā)明不僅對房屋建筑行業(yè)是一場革新，甚至還有望解決英國的住房危機。按照發(fā)明者的設計：將所有的組件制造好，需要三個星期的時間，裝配起來則僅需一天的功夫。這種房屋將用維可牢尼龍搭扣或類似按鈕的緊固件固定在一起，而這些在傳統(tǒng)建筑技術中則不需要。據悉，這一構想是2012年10月倫敦3D打印展上展出的一款打印房屋原型的延伸，原型以極具特色的纖維尼龍結構作為骨架，來代替實心的墻體。房屋組件采用

21、激光燒結的生物塑料，在3D印刷廠中制造，這將會比用沙子或混凝土印制的質量更好。纖維結構的厚度只有0.7毫米，用石頭打印是不可能的，因為沙子沒有足夠的結構強度和完整性。而在工廠環(huán)境中，則可以用到像塑料或金屬之類更高強度的材料。至2012年為止，建造這樣一座3D房屋的成本并未向外透露。但瑞特森表示，3D印刷業(yè)的蓬勃發(fā)展將會提升經濟規(guī)模，這意味著在不久的將來，這樣的房屋可能因其經濟性而在市場競爭中取得優(yōu)勢。7) 3D打印汽車、地面和空中當快車道：來自世界各地的汽車愛好者們密切關注MakerBot和GrabCAD公司的未來交通工具設計展，其中包括：汽車、摩托車、飛機和航天器。未來的運輸工具意味著一件事

22、情任何人都能夠單獨駕駛。至2013年2月為止，這些交通工具模型都通過3D打印機打印制造出來，2040年將制造出實體模型。美國總統(tǒng)奧巴馬的國情演講中宣布，計劃建立3D打印中心，3D打印技術將逐步形成美國新興制造業(yè)。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。這款汽車是Jim Kor和他的Kor Ecologic團隊頭腦風暴的產物，他們一直專注于研究未來的3D交通工具。他們在網站上展示了

23、對于未來汽車的構想：“用最少的能耗開最遠的路程；把生產、使用、回收過程的污染降到最低；盡可能用汽車產地附近的原材料生產汽車”傳統(tǒng)的汽車制造是生產出各部分然后再組裝到一起，3D打印機能打印出單個的、一體式的汽車車身，再將其他部件填充進去。據稱，新版本3D汽車需要50個零部件左右，而一輛標準設計的汽車需要成百上千的零部件。Urbee的原型使用了asb塑料的熔融沉積建模(fuseddepositionmodelling)方法。車輛由大塊和許多個小塊組成。根據thewire的報道，544公斤的車輛花費了大約2500個小時來打印，原型車的造價約為5萬美金。8) 打印人工耳：北京時間2013年2月21日報

24、道，美國康奈爾大學和威爾康奈爾醫(yī)學院的研究人員合作，利用3D打印技術和含有牛耳活細胞的凝膠造出一種新型人工耳，無論在外觀還是功能上，均可與真耳相媲美。相關論文在線發(fā)表于2月20日出版的PLOS ONE上。研究人員表示，通常的人工耳材料密度和泡沫聚苯乙烯差不多，質感與真耳相差較大；如果用病人的肋骨組織以手術方式重塑外耳，不僅難度大，還給病人帶來很大痛苦，因此很難制成既美觀又實用的人造耳。為造出這種生物工程耳，研究人員先用快速旋轉3D相機拍攝數名兒童耳朵信息，輸入計算機形成3D圖像，然后按照圖像用3D打印機打出一個固體模子，并在其中注入一種高密度膠原蛋白凝膠，其中含有能生成軟骨的牛耳細胞。此后數周

25、內，軟骨逐漸增多并取代凝膠，3個月后軟骨會形成柔韌的外耳，替代最初用于塑形的膠原蛋白支架。9) 打印頭骨：2013年2月9日報道，美國的一家醫(yī)院完成了一項非常大膽的手術：使用3D打印出人的頭骨，來替代患者原本高達 75% 已受損骨骼。這次手術在本周早些時候順利完成，使用了康涅狄格州牛津性能材料公司提供的原材料，至2013年2月為止，患者的病情已穩(wěn)定。10) 3D打印類生物組織材料：英國研究人員2013年4月4日在科學雜志上發(fā)表報告說，他們利用特制3D打印機打印出類似生物組織的材料，這一成果將來有望應用在醫(yī)療領域。這篇報告由英國牛津大學的黑根貝利教授及其同事聯(lián)名發(fā)表。據介紹，他們利用3D打印機分

26、層次噴出大量被脂類薄膜包裹的液滴，這些液滴形成網狀結構，構成特殊的新材料。研究人員說，這樣打印出來的材料其質地與大腦和脂肪組織相似，可做出類似肌肉樣活動的折疊動作，且具備像神經元那樣工作的通信網絡結構，可用于修復或增強衰竭的器官。由于這是合成材料，因此它還可避免一些用干細胞等方式制造活體組織而引發(fā)的問題。研究人員還說，常規(guī)的3D打印機無法打印這種新材料，實驗中他們使用的是一種特制3D打印機，至2013年4月為止，這種打印機噴出的液滴直徑約50微米，有5個活體細胞那么大，但相信將來能夠將液滴尺寸縮小。11) 用3D打印珠寶：個性化，珠寶加工自是對此類需求最為迫切的行業(yè)之一，而3D打印所具備的優(yōu)勢

27、正好可以平衡消費者需求與加工成本之間的矛盾加工成本與造型復雜程度完全無關。事實上在Shapeways上就有大量的設計師們對珠寶類目情有獨鐘(事實上最早加入的成員就已開始利用3D打印制造首飾)。12) 4D打印技術：我們都知道，4D就是在長、寬、高之外，另外加入了時間的維度，如果套用到打印技術上的話，指的就是你所打印出來的東西，可以依照你預先設定的程序，隨時間而改變形狀。7、 3D打印的發(fā)展前景在3D打印技術可以打印假肢、汽車、飛機的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。首先3D打印技術可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬

28、和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。其次實現(xiàn)了首件的凈型成形，這樣后期輔助加工量大大減小，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)，如軍工、核電領域。再次由于制造準備和數據轉換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低，特別適合新產品的開發(fā)和單件小批量零件的出產。這些速度快、高易用性等優(yōu)勢使得3D打印成為一種潮流，并且在很多領域得到了應用。如今3D打印機已經在建筑設計、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復雜結構、零配件、動漫模型等領域都已經有了一定程度的應用。尤其在飛機、核電和火電等使用重型機械、高端精密機械的行業(yè)，3D打印技術“打印”的產品是自然無縫連接的，結構之間的穩(wěn)固性和連接強度要遠遠高于傳統(tǒng)方法。事實上，3D打印技術要成為主流的生產制造技術還尚需時日。3D打印機21世紀初的實際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產正式的產品前提供產品原型的制造