浅谈3D打印技术概况

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     3D打印（3Dprinting）也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。

    3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。CharlesHull（3DSystems公司的创始人）和ScottCrump（Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，CharlesHull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3DSystems。1988年，3DSystems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。ScottCrump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3DModeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。

    3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。

    3D打印的主要构成要素包括3D打印机、原材料以及软件设计文件。它依托多学科的知识背景，包括精密机械、材料科学和信息技术等。

    3D打印机经过20多年的商业化发展已经形成多种成熟技术，包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等。在精度上，3D打印已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的分辨率。常见的3D打印技术包括：FDM（熔融沉积快速成型）、SLA（立体光刻）、SLS（选择性激光烧结）和3DP（三维粉末粘接）、Ployjet喷射光聚合物、ProjetUV紫外线成型等。

    图1：3D打印技术的主要类别

    1988年ScottCrump发明了FDM技术,并在此基础上成立了Stratasys公司。FDM无需激光系统的支持，而是采用喷头。它的工作原理是首先将用于打印的热熔性材料在喷头中加热融化，然后通过微细的喷嘴挤压出来，沉积在制作面板或前一层已固化的材料上。一层材料沉积完成后，工作台将按预定的增量下降一个厚度，层层叠加连接成一体，直到实体完全成型。

    FDM技术制造简单，成本低廉，性价比高，众多桌面级3D打印机都采用该工艺。但由于出料结构简单，因而难以精确控制材料成型的效果，成品效果不够精细稳定。

    图2：FDM技术原理

    SLA是最早应用的3D打印技术，在1986年由CharlesW.Hull发明，并获得美国专利。SLA主要使用光敏树脂为材料，如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂，它在一定波长和强度的紫外光照射下可固化。运用这个原理，SLA通过紫外激光照射逐层凝固成型，最终得到完整的立体模型。

    SLA技术的优势在于成型速度快、精度高，适合制作结构复杂的模型。但是SLA所使用的光敏树脂在未固化时有一定毒性，成品硬度低、不结实，一般主要用于原型设计验证。此外，SLA的设备和材料成本都很高，因此目前主要应用在专业领域。

    图3：SLA技术原理

    SLS由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在论文中提出，并于1992年开发了商业打印机。它利用粉末材料在高功率激光束扫描下烧结的原理，首先在工作台上铺一层薄层粉末，激光束在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，从而进行烧结并实现粘合。然后不断重复铺粉、烧结的过程，最后进行打磨、烘干等处理，直至整个模型成型。

    SLS的成品精度好、强度高，支持多种材料。但SLS技术需要使用大功率激光器，技术难度较大，制造和维护成本非常高，因此主要应用于高端制造领域。

      3DP由美国麻省理工大学的EmanualSachs教授发明，并于1989年申请了3DP的专利。其工作原理与SLS工艺类似，都是采用粉末材料，但是3DP不是通过烧结，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面与材料粉末粘接。通过不断铺粉、喷涂、粘接的过程，最终完成零件的制造。美国Z-Corp公司基于3DP技术开发了3D打印成型机，2012年1月，Z-Corp公司被美国3Dsystems公司收购。

    3DP技术是一种流行的、成本低廉的打印方法。它的优势在于成型速度快、无需支撑结构，能够输出彩色打印产品。但是3DP技术的成品强度并不高，表面也不如SLA光洁，精细度不高。

    材料是3D打印非常关键的因素之一。材料研发的进展，指引着3D打印的应用与推广。理论上来说，绝大部分材料都可以用于3D打印，例如塑料、金属、玻璃、陶瓷、石膏、巧克力，甚至生物材料等。在实际运用情形中，3D打印目前还是以塑料为主，常见的高端设备也主要限制于金属、陶瓷等。

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