3D打印技术、应用及发展趋势

陈梦仪（上海金融学院，上海，201209）



3D打印技术、应用及发展趋势

陈梦仪
（上海金融学院，上海，201209）

二十多年来，3D打印技术从概念到应用，已经在医疗、航天、交通等领域得到使用。其技术不仅是激光打印、三维设计、立体检测，更是基础材料的发挥在技术。目前3D打印软件、系统与材料紧密结合，立体光固成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔丝沉积造型（FDM）等主流技术路线基本成形，本文将针对以上几个问题展开讨论。

3D打印；增材制造；技术应用

引言

3 D（3 D p r i n t i n g）打印技术，属于快速成型技术的一种，也称为“增材制造（AdditiveManufacturing）”，是一种以立体数字模型文件为基础，运用金属、塑料或树脂等可材料，采用粘合处理，通过逐层打印的方式来构造三维物体的技术。随着近10多年的发展，相继研发出立体光固成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔丝沉积造型（FDM）等主流技术路线，使3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，可以制作出结构复杂、个性化的产品。2016年选择性激光烧结（SLS）是所有3D打印技术中最受欢迎的技术。

2016年，塑料是占主导地位的3D打印材料（73%），这主要归因于对低成本产品制造的需求，以及快速原因越来越多地被采用。在这些3D打印塑料材料中，聚酰胺（PA）是最流行的，其他材料正在创新和推广应用中，包括树脂（26%）、金属（23%）、砂岩（13%）和蜡（8%）［1］。

1　3D技术发展现状

1.13D打印产品实现流程

一是三维建模。建模软件已经比较丰富。应用计算机软件，通过专业的3D扫描仪（比如GoSCAN类）或DIY扫描设备（Kinect类）获取打印对象的三维数据，并且以数字化方式在生成精度高、比例合适、结构复杂的三维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等专业的三维建模软件直接建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的、已有的三维模型。

二是分层切片。3D打印用于打印结构复杂、个性化强的产品。由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。因此，当3D模型数据输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进行数据的分层处理，即将模型切分成一层一层的薄切片，每层切片的厚度是由喷涂材料的属性以及打印机的规格来决定的。

三是打印喷涂。由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据不同的工作原理，会有相应不同的实现方式。比较常用的做法是先喷一层黏胶材料，然后在上面撒一层粉末，如此反复。或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成实物。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质的不同以及工艺质量耗时几分钟至数天不等。

1.2立体光固成型（SLA）技术

立体光固成型（SLA）技术是最早出现的立体成型技术［2］，其原理是采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是：一是用CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；二是激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，就生成零件的一个截面；三是升降台控制下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。这一技术在医疗领域，如助听器、耳蜗等方面使用广泛。

这一技术的关键问题是材料。树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

1.3选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结（简写为SLS）由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功［3］。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。

1.4熔丝沉积造型（FDM）

熔丝沉积造型（FDM）［4］系统组要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热机构工作台5个部分。工作时先确定各层间距、路径宽度等；生成路径，对计算机模型进行切片；在计算机控制下喷头按路径移动出丝，喷丝粘结在工作台上已制作层面上。如此反复逐层制作，直至最后一层。这样熔丝粘结形成所要求的实体模型。

这里关键技术是喷头，喷头功能为加热熔化［5］。喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料，与前一层粘结并在空气中迅速固化。现在的FDM快速成型系统一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件；另一个用于喷支撑材料。

2　3D打印技术应用

事实上在20多年前，3D打印技术就已经能用树脂或胶等材料制作产品。近几年，由于3D打印可处理的材料范围扩大到了金属材料（激光烧结技术），而且成功地将几十年前就有的工艺技术重新组合利用，例如结合信息技术，使用激光和电子束进行表面工程和增材制造。而目前而言的发展，是由于激光和电子枪等关键元器件品质不断提高。

在工业制成上，3D打印机主要应用在两方面：一是某些结构复杂化的零件或者制成品。主要是对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品，包括小型零件和大型构件。二是几何约束强的产品。在某些大型构件的加工上，不仅工艺难度相对于传统高，而且成本还要求降低，3D打印正好满足此需求。比如医用领域最著名的就是通过3D打印，打印高精度的器官模型，如Stratasys Solidoodle2 可以用来打印病人的体内器官或者组织模型，辅助制定精确的手术方案。

无需与生物组织相容的外部肢体，医用3D打印可以进行深度定制。体外医疗器械包括医疗模型、医疗器械——如假肢、助听器、齿科手术模板等。根据美国组织AmputeeCoalition的统计：目前美国约有200万人使用3D打印假肢。

更高端一点的应用，如还可打印完全不成熟的细胞，Organovo公司宣称用3D打印机完整打印一个有正常生命机能的肝脏，为肝脏移植患者提供帮助。公司先通过独特的细胞3D打印技术，在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织，然后再在培养皿中进行培养，并生成正常形状和机能的肝脏，然后便可以移植到人体中，进行身体解毒和排毒等正常代谢功能。不过，该肝脏的生命周期只有40天左右。

某些行业的应急制品或者快速制成品。最简单的是军用上，给予机械维修团队，就地加工一些制成品来保证紧急状况下的机械平台维护，在大部分情况下，陆战坦克，装甲车在受到损害后，超过一定比例，就因为成本原因，直接废弃掉了。3D打印可以解决这些问题，当然给予行军途中，在后勤紧张的时候，快速制成一些用品更不用说了。如在航天上的应用，主要集中在NASA的项目上，NASA主要在冷却、包装和屏蔽电子的物体上使用3D打印技术。例如，航天器的电池盒是使用热塑性聚醚（PKK）3D打印的。

3　技术发展主要趋势

3.13D打印与人们生活越来越相关

根据中商产业研究院［1］的分析报告，可以预见3D打印技术不仅应用在电子消费品、汽车、航空航天等领域，还与人们生活越来越相关，可以在建筑、教育、医疗等方面继续发展。

图1　虚拟样机

3.23D打印材料更加多样化

开发更为多样的3D打印材料已经成为企业共识。企业在研发新材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。

智能材料将异军突起。智能材料其实也是功能性材料的一种，可以随着时间、温度等外部环境的改变而发生变化。同时环保、可降解的环保材料将占据主流。

3.3生产、设计与制造将实现一体化

需求、设计、模型、生产与制造一体化将成为可能。在软件方面，高度集成化，实现CAD/CAPP/ RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接互联网控制的远程在线制造。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。

3.43D打印技术

打印速度将显著提高，一个激光头还是两个激光头将不再是困扰速度的主要因素。打印机的价格将在三年后下降至少三四成［6］。

创新发展并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造。

4　结束语

在3D产业进入高速发展时代，3D打印设备生产商将与加工服务商、材料供应商达成战略联盟；设备生产商将更多的应用互联网，在全球范围内通过互联网，使技术创新、应用创新、业务创新等联系更加紧密。在工业4.0、互联网+等政策大力推动下，可以预测电商将在3D打印领域发挥更大的作用。

该论文受到上海金融学院大学生创新创业项目资助（项目编号：201511639064）。

［1］《3D打印现状2016（TheStateof3DPrinting2016）》，平台Sculpteo发布，2016-6-13.

［2］Print me a Stradivarius［J］.Economist，2011-2-10.

［3］The printed world［J］.Economist，2011-2-10.

［4］Wohlers Associates Inc.Wohlers Report 2011［R］.2011.

［5］Acelrovsion知乎 http://www.zhihu.com/question/26472893/ answer/33069636，2014.

［6］黄俊晔 知乎 http://www.zhihu.com/question/20382142/ answer/15868903，2014.

3D Printing Technology， Application and Trend

Mengyi Chen
（Shanghai Financial University， Shanghai， 201209， China）

3D printing technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution； it has been increasingly becomepopular in the industrial sectors and investor community. And it has been listed as the most ten powerful industial technologies in America .this article will introduce the 3D printing technology and its applications； its development trend.

3D Printing Technology； Additive Manufacturing； Applications

E-mail: 1005531287@qq.com

TP273

A

2095-8412 （2016） 03-581-04

陈梦仪（1995-），女。研究方向：3D打印技术的发展应用 。