3D打印技术发展分析

和欢庆

“3D打印”学名为“快速成型技术”（Rapid Prototype），也称为“增材制造技术”，3D打印是一项革命性技术，它不再需要传统刀具、夹具和机床，而是根据物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，这将缩短产品的研制周期，降低了生产所需的人力资源成本并提高了生产效率。飞机、核电、火电等行业所使用的重型、高端机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法使得部件之间的连接并不牢固，但使用3D打印技术获得的产品实现了自然无缝连接，在各结构组件之间的稳固性和连接强度方面，要远高于传统方法。有相关专家预测，3D打印技术是一种新型的生产方式，其可能带来第三次工业革命。

下面，我们对传统制造技术和3D打印技术作一下比较。传统的工业制造方法多是“减材制造”，即在整块材料的基础上去除多余部分，将剩下的部分制成产品；而作为“增材制造”的3D打印技术则是利用3D数据，进行逐层分切打印，层层打印出来的切片会不断叠加，最终形成一个完整的立体物体，在生产过程几乎不会产生任何废弃物。

3D打印技术的发展也是日新月异，下面就介绍一下目前较为先进的3D打印/印刷设备及其应用。

3D激光打印机

3D激光打印机（参见图1），包括模型工作台1、置于模型工作台1上方的感光鼓2、粉末盒3、信号转换装置4、固定于机体上的转轴5和置于转轴5上的转印皮带6。感光鼓2分别与粉末盒3、转印皮带6相接触，信号转换装置4与计算机相连，转印皮带6为一条且其上设有两个感光鼓2，每个感光鼓2分别设有一个粉末盒3、一个信号转换装置4；两个粉末盒3中的一个填充有热熔粉末，另一个填充有非热熔粉末。

3D激光打印机的使用方法（参见图2），包括以下步骤：

①由计算机按层分解3D立体图，形成从下至上一系列序号规则的正平面图，生成每个正平面的同时生成一个与之对应的反平面图，即每层得到正、反两个图形。其中：分解3D立体图的层厚度等于打印机相邻两个可打印点中心的距离，如：分辨率为6dpi，则相邻两个可打印点中心的间距为42.3微米，即按42.3微米的厚度分解3D立体图。反平面图为可打印区域与正平面图的差集；可打印区域是指模型工作台1内部区域在水平面的投影。

②启动打印机。

③计算机生成的正、反两个图形经信号转换装置4分别转换成载有正、反图形信息的光束。

④其中，一个感光鼓2充电获得电位后，经载有正图形映像信息的光束扫描，形成正图形映像的静电潜像。

⑤正图形映像的静电潜像经过设在粉末盒3内的磁刷后，吸附一层热熔粉末；经转印皮带6转移到模型工作台1上方，按常规加载电压使热熔粉末落入模型工作台1，在模型工作台1内形成由热熔粉末铺成的正图形。

⑥另一个感光鼓2充电获得电位后，经载有反图形映像信息的光束扫描，形成反图形映像的静电潜像。

⑦反图形映像的静电潜像经过设在粉末盒3内的磁刷后，吸附一层非热熔粉末；经转印皮带6转移到模型工作台1上方，按常规加载电压使非热熔粉末落入模型工作台1，在模型工作台1内形成由非热熔粉末铺成的反图形。

⑧每层图形打印完成后，重复步骤④至⑦，再继续打印上一层，直至整个3D立体图打印完毕。其中：打印过程中，粉末盒3、信号转换装置4固定，转印皮带6随着转轴5转动，感光鼓2旋转。

⑨加热模型工作台1，直至模型工作台1内的热熔粉末全部凝固成一个整体（形成最终需要的3D产品）。

3D喷墨打印机

3D喷墨打印机主要包括：

①用于混合两种或更多种流体的装置。

②用于在水平和垂直方向中在印刷期间移动印刷头的装置。

3D喷墨打印方法包括以下步骤：

①提供具有不同组成的两种或更多种流体至喷墨打印机。

②以受控量混合两种或更多种流体。

③使用喷墨打印机将两种或更多种流体的混合物喷射到载体上。

④通过光化辐射或电子束至少部分固化被喷射的混合物。

⑤重复步骤②～④以便在载体上构筑3D浮雕。

适用于3D喷墨印刷，特别是用于制备胶版印刷形式的喷墨印刷机通过图3显示。具有套筒形状的载体2被安装在围绕其轴3旋转的鼓1上，两种或更多种喷墨流体的混合物通过印刷头4喷射到载体2上，在混合物喷射在载体2上之后，喷射的混合物朝着其被固化装置5暴露的区域旋转，固化装置5可以是辐射固化装置，如UV灯或一系列UV-LED灯，也可以是电子束固化装置，或者两者的结合，每一层的固化可以是完全的，但优选地进行部分固化或针式固化（pin curing），优选伴随着在喷射全部的层之后最终的完全固化，然后固化的喷射流体通过鼓1进一步旋转至第二层区域。这种循环可被重复多次，直到获得足够高度的浮雕。

随着浮雕形成的进程，印刷头4距载体的距离将减小，可能导致图像假缺陷。因此，载体2和印刷头4之间的距离被保持大约恒定。这种恒定，可通过在垂直方向Y（与旋转轴3垂直的方向）移动印刷头4远离鼓1来实现。喷墨印刷头4能够在水平方向X（与旋转轴3平行的方向）移动以便能覆盖载体2的全部宽度。

3D打印机的运用——打印食物

用于3D食物打印机（如图4所示），由机械臂1、步进电机转盘2、食物喷嘴3、传输带4、烘焙箱5、托盘6和计算机7组成；计算机7通过数据线连接机械臂1和步进电机转盘2，步进电机转盘2置于机械臂1下方，以铰链形式固定，食物喷嘴3安装在步进电机转盘2的四周，托盘6放置在传输带4一端上，传输带4另一端通向烘焙箱5。

机械臂1能够受计算机控制上升下降和移动，步进电机转盘2能够受计算机控制，将需要使用的食物喷嘴3旋转到指定位置，4个食物喷嘴3安装在步进电机转盘2周围，每个食物喷嘴3内添加有不同口味的液体果酱、奶油等食物；食物喷嘴3为圆柱形空心针筒结构，两端口径不相同，连接步进电机转盘2的一端的口径范围为3cm以内，另一端的口径范围为2mm以内，食物喷嘴3的长度范围为10cm以内。传输带4长1.2m。

通过为3D食物打印机订制的计算机软件，自动识别美食图纸，依据图纸的图层属性，计算机可事先模拟出美食状态，确认后，计算机输出信号到3D食物打印机；传输带4将糕点衬底运输到打印机操作区域，机械臂1下降，同时步进电机转盘2旋转，将需要的食物喷嘴3旋转到操作位置，食物喷嘴3内气压增加，将果酱或奶油涂抹糕点衬底上，涂抹厚度为0.5cm，同时机械臂1按照图纸上该食物对应图层的形状均匀移动，直到完成第一层“喷墨打印”；随即机械臂1回到原位，如果该食物对应图层厚度属性未达到要求，将进行第二层“喷墨打印”，如果已完成该图层打印，步进电机转盘2旋转，将下一个需要操作的食物喷嘴3旋转到操作位置进行下一层“喷墨打印”。

完成食物打印后，传输带4依据计算机软件设定的食物属性，将需烘焙的糕点运输至烘焙箱5进行烘烤，完成食物制作。

通过以上介绍，大家对3D打印的概念、原理、设备以及应用有了一定的认识，但随着社会的进步和科技的发展，打印技术的发展和革新会不断提升，3D打印也将使我们的生活更加丰富多彩。今后，3D打印的技术、材料、设备仍会有较大的研发空间，国内相关企业或单位要加强对自身成果的保护，及时申请专利，同时也应充分了解现有的3D技术，进行相关分析和研究，从而提高自身的创新能力。endprint