3D打印技术及先进应用研究进展*

马北越，张博文，于景坤，曲选辉

1.东北大学 冶金学院 冶金高温材料与技术研究所，辽宁 沈阳 110819；2.北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083

3D打印技术及先进应用研究进展*

马北越1，张博文1，于景坤1，曲选辉2

1.东北大学 冶金学院 冶金高温材料与技术研究所，辽宁 沈阳 110819；2.北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083

对3D打印的主要技术原理及特点进行了介绍，综述了3D打印技术在航空航天、生物医学和陶瓷制造等先进领域的研究现状，并指出了我国发展3D打印技术存在的问题，展望了其美好前景.

3D打印技术；先进应用；研究进展

3D打印(Three Dimentional Printing)技术诞生于20世纪80年代末期，其基本原理是借助三维数字模型设计，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等方法将金属粉、陶瓷粉、塑料和细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品[1].3D打印也称为增材制造，是相对于传统制造中的机械加工等“减材”制造而言.3D打印技术发展潜力巨大，受到世界瞩目.我国在2015年发布的国家“十三五”中长期发展规划中，明确提出要重视和加速发展3D打印技术，且于2016年4月在北京正式成立了全国增材制造标准化技术委员会，这对于促进3D打印技术在中国的发展和应用将起到很重要的支撑和引领作用.此外，与传统制造技术相比，3D打印具有节时、节能、可个性化定制等优点，这必将推动其大力发展及其在航空航天和生物医学等先进领域的广泛应用[2-5].

1 3D打印的主要技术原理与特点

3D打印技术有很多种，如熔融沉积成型技术、光固化成型技术、选择性激光烧结技术和直接金属激光烧结技术等，下面对其主要工艺的原理及特点进行介绍.

1.1 熔融沉积成型技术(FDM, Fused Deposition Modeling)

FDM技术[6]是用加热头将ABS树脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、尼龙和蜡等热熔性材料加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后在软件控制下沿CAD确定的二维几何轨迹运动，并通过喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层.薄层逐层累积，最终打印出设计好的三维物体.其工艺路线为：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设置扫描路径→对材料进行加热→喷头按照设置好的路径进行涂敷→快速冷却→喷头上移→再次按设置好的路径进行涂敷→继续重复以上涂敷工序，最后得到逐层堆积而成的完整工件.该技术主要用于中、小型部件的成型，其生产成本低、污染小，材料可回收，但成品精度较差、成型速度慢且使用的材料类型受限[6].

1.2 光固化成型技术(SLA, Stereo Lithography Apparatus)

SLA技术[7]是以光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射，择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应并变硬，逐层固化，最终得到完整的产品.其工艺路线为：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设计扫描路径→激光光束按设计的扫描路径照射液态光敏树脂表面→形成树脂固化层，生成零件的一个截面→升降台下降一个层片的高度→固化层上覆盖另一层液态树脂→再进行第二次扫描→第二固化层牢固地粘接于前一固化层上→重复以上工序，得到层层叠加而成的三维模型原型.

SLA技术具有成型速度快、表面质量好、打印精度高和打印模型尺寸大(可达1524 mm)等优点[8]，但因树脂固化过程中易产生收缩，易产生应力或引起变形.故研发固化速度快、体积稳定性好、强度高的光敏树脂材料是SLA 技术的重要发展趋势.同时，SLA也存在系统造价高，使用和维护成本高，以及系统操作复杂、入门困难等问题.

1.3 选择性激光烧结技术(SLS, Selective Laser Sintering)

SLS技术[9]是用高功率激光(如CO2激光)将很小的材料粒子熔合成团块，形成所需要的三维形状；高功率激光根据三维数据(如制作的CAD文件或扫描数据)所生成的切面数据，选择性地融化粉末层表面的粉末材料，然后每扫描一个粉末层，工作平台就下降一个层的厚度，一个新的材料层又被施加在上面，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型.其工艺路线为：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→激光烧结→产生原型零件→再次激光烧结→产生零件原型.

SLS技术可选用很多种材料，如：石蜡、高分子、金属粉或合金粉、陶瓷粉以及其复合粉末，其制品的相对密度约达100%，且产品性能可与传统制造工艺的相媲美.

1.4 直接金属激光烧结技术(DMLS, Direct Metal Laser Sintering)

DMLS技术[9]的基本原理是使用实体的三维模型正确地定位构件部分的几何图形，并为其添加适当的支撑结构，再下载到DMLS机，构建“三维复制品” .采用金属粉末，再通过使用局部聚焦激光束使其“焊接”.各部分的构建是通过一层一层添加形成，各层厚度约为20 μm.DMLS机生产的零件精度和致密度高，细节分辨率好，有良好的表面质量和优异的机械性能，尤其适合小批量生产[10].

1.5 电子束熔炼技术(EBM, Electron Beam Melting)

EBM技术[11]是通过高真空中的电子束来熔化金属粉末层，从而制造产品.EBM机从三维CAD模型中读取数据，并将粉末材料放到连续层上，利用一个计算机控制的电子束使这些层熔化在一起而构建部件.整个过程均在真空环境中进行，所以避免了活性材料熔融时出现氧化.一般需要在700～1000 ℃的高温下操作，打印的层厚为0.05～0.2 mm.采用该技术制造的产品非常致密.目前，EBM技术主要以钛合金为原材料，故其非常适合制造航空航天部件和医疗植入件.

2 3D打印技术的应用研究现状

3D打印技术过去常用于模具制造或新产品在正式开模前的试制模型.现在已成功应用于航空航天、生物医学和陶瓷等先进制造领域[12-15].

2.1 在航空航天制造中的应用

3D打印技术在航空制造领域的应用主要集中在产品外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造3个方面.近年来，美国波音公司已采用3D打印技术制造了300 余种飞机零部件.空客也使用该技术制造出A380飞机客舱行李架，在战斗机中也采用3D打印技术生产了空调系统.美国Morris公司不仅拥有20多台最先进的激光3D打印设备，并制造出大量的航空发动机零件.德国EOS公司也利用3D打印技术制造出航空发动机零部件[12].

我国在航空航天制造中也成功应用了3D打印技术.西北工业大学科研人员采用3D激光立体打印技术制造了国产客机用长度超过5 m 的钛合金翼梁；还将激光立体成型技术与铸造技术相结合，建立激光组合技术，成功制造了我国首台航空发动机某合金复合轴承后机匣[12].北京航空航天大学王华明等人[16]成功制造了单件重量超过110 kg的多个钛合金结构件及国内尺寸最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工、大型复杂的整体关键构件的激光成型工艺、成套装备和应用关键技术，使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成型技术并成功实现装机工程应用的国家.中航重机激光技术团队在2000年前后，进行了3D激光焊接快速成型技术的研发，其制造产品目前已成功应用于我国多款新型飞机[17].此外，清华大学、西北有色金属研究总院等科研单位在EBM技术应用、设备研发和零件制造方面也取得了可喜成果，为推动3D打印技术在我国的发展和应用做出了突出贡献.

在航空制造中运用3D打印技术很有意义：①增材制造代替传统的减材制造(即机械加工)，可节约大量的昂贵金属材料；②利用3D打印的灵活性，可对组合零部件进行合理设计，以制造出过去无法成型的结构部件；③有利于先进新型航空航天器的快速开发，提高在此领域的核心竞争力；④采用3D打印快速成型与传统制造相结合，有利于批量化制造高性能金属零件.

2.2 在生物医学中的应用

3D打印技术在生物医学领域发展迅速，不仅用来打印生物支架[18]，还用来打印人体器官[19].如果打印人体器官，首先应获得需要打印器官的三维数字信息，并运用计算机辅助设计程序建模，再利用3D打印机根据建好的数字模型逐层地打印出实物模型.根据设计技术思路，3D打印技术在生物医学上的应用研究主要集中在3个方面[19]：①先用生物材料打出“支架”，再在上面进行细胞培养并诱导形成组织；②采用生物活性组织和电子元件相结合打印人体器官；③通过患者自身的胚胎干细胞直接打印人体器官.

在3D打印人体器官方面，美国、西欧和日本走在世界前列.美国华盛顿儿科医学中心科研人员通过3D打印技术，用“塑料”打印出了全球第一颗人类心脏[20].面对可用于移植的捐献器官严重不足的今天，这将给心脏器官衰竭患者带来福音.我国科研和医疗机构在3D打印技术的生物医学应用方面也取得了可喜成绩，如清华大学器官制造中心的王小红等人，利用自主研发的国内首台生物材料低温打印设备，将合成高分子与天然高分子及生长因子等在低温打印成型；于2004 年自主研发出国内第一台细胞3D 打印机，并确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料[21].

2.3 在陶瓷制造中的应用

3D打印技术在传统陶瓷和现代陶瓷中都显示出强大的应用潜力[22-28].2012年10月，土耳其伊斯坦布尔的Unfold 设计室科研人员利用其自行研发的3D打印设备成功打印出造型各异的日用陶瓷制品.有些产品经表面上釉并烧制后，质量很好[22].荷兰埃因霍温艺术家Olivier van Herpt 采用自己研发的3D打印机打印出许多精致的陶瓷样品[22]，成品高度可达80 cm，半径可达21 cm，细节颇为精致.3D打印技术在国内陶瓷制造领域的应用，只是借助3D打印技术制作陶瓷模型，然后再翻模.龙泉青瓷艺人梅红玲通过3D打印技术制作了青瓷牛的树脂模具，然后将制模烧制成了第一件镇纸大小的瓷牛，细节栩栩如生，成为青瓷文化中的特殊艺术品[22].

目前，3D打印在陶瓷制造方面的应用还存在以下问题：用于制备传统陶瓷的原料——粘土和颜料不一定都适合3D打印；缺少3D设计专门人才；如何消除烧结过程中产生的应力，以制得质量稳定且精美的制品.

3D打印技术具有生产周期短、效率高，成型过程中不需要模具或模型，成型体的几何形状及尺寸可通过计算机软件处理系统改变，灵活性强，可制备形状复杂的陶瓷制品，在现代陶瓷制造中备受青睐.

3D打印技术在快速成型陶瓷零部件尤其是复杂形状陶瓷零部件方面体现出非常大的优势，但因其是堆积成型，使得致密度偏低，强度欠佳，且大量粘结剂的使用，导致陶瓷的收缩加大，较难保证陶瓷的体积烧结稳定性和质量.所以陶瓷零部件制造业应在改善3D打印工艺和烧结技术方面加强研究，以期制得综合性能优异的陶瓷部件.

3 展 望

目前，尽管我国的一些科研单位经独立研发或通过“产学研”与国内企业合作，已在3D打印技术制造方面做了大量的工作，涉及3D打印设备研制、原材料开发、3D打印成型软件开发以及3D打印技术的应用研究等，且已有部分技术处于世界领先水平.但与欧美等发达国家相比，我国在3D打印技术方面的研究在广度、深度及实际应用方面还有较大的差距.因此，国内学者和企业技术人员应进一步加强合作，加快3D打印用高性能、低成本原料的研发，以降低3D打印整体成本；深入研究3D打印技术在航空制造和生物医学等先进领域的应用，以更快更好地惠及于国、惠及于民.

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Research progress on 3D printing technologies and advanced applications

MA Beiyue1，ZHANG Bowen1，YU Jingkun1，QU Xuanhui2

1.InstituteofHighTemperatureMaterialsandTechnologyforMetallurgy，SchoolofMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819，China；2.StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China

Main technological principles and characteristics are introduced，research situation of 3D printing technologies in some advanced fields involved aerospace, biomedical sciences and ceramics is reviewed, possible problems on 3D printing technologies existed in China are pointed out， and finally good future is also prospected.

3D printing technologies；advanced applications；research progress

2016-07-25

新金属材料国家重点实验室开放基金资助项目(2015-Z05)

马北越(1978-)，男，辽宁沈阳人，博士，副教授.

1673-9981(2016)04-233-05

TS853.2

A