3D打印漫谈

撰文/梁迪

3D打印漫谈

撰文/梁迪

3D打印是何方神圣？

3D打印被广泛地认为有潜力成为颠覆性的技术。关于3D打印的相关报道也屡见报端。这个宣称可以凭借革命性设计终结传统制造业的3D打印究竟是什么？

3D打印和传统制造技术的根本不同点在于其是一种增材制造方式。传统制造技术的局限性主要在于需要密集劳动力并遵循“手工制作”的理念。然而当今的制造业已经发生了改变，自动化流程变得更加先进，同时复杂的流程往往需要应用机床、计算机以及机器人等技术。但目前这些技术无论是用于直接生产产品还是生产用于铸造或成型的工具，都是通过在大块原料上去除余量实现的。这也使得在制造过程中存在巨大的局限。对于许多技术的应用，传统的设计和生产流程存在许多难以承受的制约，包括昂贵的机床设备、卡具以及对复杂零部件装配的需求。不仅如此，传统的减材制造方式还导致了约90%原材料的浪费。相对而言，3D打印则通过不同的技术手段以逐层叠加原材料的方式直接生成产品，其过程就像自动搭建乐高积木一样令人耳目一新。

3D打印技术之所以令人振奋，因为它可以将天马行空的设计制作出来，并节省从设计到生产的时间。现在，零部件可以设计成特殊形状而无需考虑其复杂结构带来的装配问题，同时也不会带来额外的费用。由于较传统加工方式可以节省约90%的原材料，以及通过重量更轻、强度更高的设计增加了产品的使用寿命，3D打印也被认为是高效节能的技术。

近年来，3D打印不仅仅应用于工业产品原型的制作，而是更加亲民，用户群体也向小型公司和个人靠近。这样的策略不仅为3D打印技术拓展了广泛的群众基础，而且使得3D打印技术在各领域的普及率持续增长，长远来说，与3D打印相关的系统、材料、应用软件、服务和辅助设备也将会不断涌现。

3D打印的前尘往事

3D打印技术首次出现是在20世纪80年代后期，当时被称为快速成型（RP）技术。1980年5月日本的Kodama博士首次为快速成型技术申请了专利。不幸的是Kodama博士并没有在申请专利后的一年期限内提交完整的专利说明书。直到1986年，第一项3D打印专利颁发给了立体光固化成型技术（SLA），而这个专利属于在1983年发明SLA设备的Charles （Chuck）Hull。随后Hull成立了3D Systems，这也是现今在3D打印行业中经营规模最大，产品最丰富的公司之一 ！

这一时期SLA并不是唯一的RP技术，1987年，Carl Deckard为选择性激光烧结（SLS）的RP方法申请了专利，并在1989年发布。SLS技术后来被授权给DTM公司，该公司后来被3D Systems收购。 1989年也是Stratasys公司联合创始人之一ScottCrump申请熔融沉积造型（FDM）专利的一年，该专利在1992年颁发给Stratasys公司。FDM到目前为止仍然是Stratasys的专有技术，入门级设备应用较多，基于其开源的RepRap模式，FDM设备目前非常丰富。也是在1989年，Hans Langer在德国创办了EOS公司，如今，EOS系统已是全球公认的质量过关，并输出工业原型设计和产品以及3D打印的应用程序。其他的3D打印技术和工艺也不断出现，比如由WilliamMasters获得专利的弹道粒子制造（BPM），由Michael Feygin获得专利的分层实体制造（LOM），由ItzchakPomerantz 等人获得专利的光掩膜固化（SGC），以及由EmanuelSachs等人获得专利的“三维印刷”（3DP）。90年代初期RP市场上出现越来越多的竞争企业，但只有3家公司坚持到现在—— 3D Systems、EOS 和Stratasys。

在20世纪90年代以及21世纪初，3D打印新技术持续进步，并集中在工业应用领域，由先进技术提供商在特殊模具，铸造和直接制造应用方面主导研发，并产生新的技术术语，即快速模具（RT）、快速铸造和快速制造（RM）等等。

在商业运作方面，Sanders Prototype（后来的Solidscape）和ZCorporation在1996年成立，Arcam在1997年成立，Objet Geometries在1998年启动，MCP Technologies在2000年推出的SLM技术，EnvisionTec在2002年成立，ExOne在2005年成立。技术术语也随着制造应用的增长以及在各领域被广泛地接受，而逐渐演变为增材制造（AM）。值得注意的是，同时期的东半球3D打印技术也有所发展，但却没有在当时真正地影响全球市场。

在21世纪前十年，3D打印行业开始在两个重点领域显示出明显的多元化迹象，在今天看来发展轮廓更加清晰。

首先，高端3D打印仍然非常昂贵，主要针对高价值、精心设计和造型复杂的零部件生产。这种高端市场仍然存在并不断扩张，直到现在研究成果才真正地在生产中实施，并应用于航空航天、汽车、医疗和珠宝首饰等领域。

其次，3D打印系统制造商研发了“概念模型”，改善了概念创新和原型设计的功能，是专门为用户友好、效益好的系统而开发的。这些系统可以称桌面级设备的前奏，全部应用在工业上。而现在，3D打印机在低端市场出现了价格战，而与此相伴的是不断提高的打印精度、速度和不断完善的打印材料。

3D打印被认为第四次工业革命的先锋，不可否认已经对工业部门产生了影响。这巨大的潜力带来的蓝图正在我们面前徐徐展开。

3　D打印技术

所有3D打印过程的起点一定是通过各种三维软件创建的三维数字模型，对于制造商和消费者而言，无需亲自建模，只需要用一台3D扫描仪，扫描模型即可获得可用的三维模型。随后三维模型被切层，从而将设计模型数据转化为3D打印机可以读取的文件。3D打印机则根据设计和流程分层处理原材料，并最终完成打印。

目前有多种3D打印技术，分别使用不同的材料以不同的方式生成最终的产品。功能塑料、金属、陶瓷和沙子是在工业原型的设计和生产中常用的材料。生物材料和食品也是较为火爆的3D打印材料，以供打印各种形状活性部件或者食物。不过一般而言，在入门级市场，打印材料比较有限，而塑料是当前唯一广泛使用的材料，比如ABS和PLA，同时也有越来越多的替代品出现，如尼龙等。同时也有越来越多的入门级设备适用于打印诸如以糖和巧克力为材料的食品。

因为零部件可以直接打印，所以生产非常精细和复杂的物品便成为可能，只需考虑功能性设计而无需担心装配问题。然而，需要强调的是，目前没有任何一种3D打印工艺是现做现用的。因为在实施打印之前还有很多步骤需要执行，此外，零部件从打印开始到完全成型之间还有更多的执行工序，然而这些步骤往往被忽视。除去3D打印的设计这一必要过程以外，模型执行文件的准备和转换也是耗时且复杂的。重点强调的是，复杂结构的零部件在打印过程中需要支撑结构也增加了打印的难度。尽管如此，持续的软件升级也使得3D打印的功能和方案不断完善。此外，许多零部件在打印机中成型后需要进行后期的精加工。去除支撑材料是必须的过程，同时其他诸如去除毛刺、涂油漆以及其他的传统收尾工序也需要手工来做。

3　D打印过程面面观

立体平板印刷（SL）

立体平板印刷（SL）是最早的3D打印工艺，也是最早实现商用的技术。SL是基于激光技术，将光敏聚合物树脂与激光发生反应并固化，并以非常精确的方式生成超精密零部件。这是一个复杂的过程，简单说就是把光敏聚合物树脂放在容器中的可移动平台上，激光束根据打印机stl文件提供的三维数据并按照X-Y轴坐标照射在树脂的表面，使得光敏树脂精确地固化。一旦本层固化完成，容器中的可移动平台便在Z轴方向细微的下降，随后，下一层将会被激光重新按照这一层的三维数据固化。此过程将一直持续到整个物体完成的成型。之后，平台将在容器中升起，以方便移走已成型的零部件。由于SL工艺逐层固化的特性，某些零部件在成型过程中需要支撑结构以起到固定作用，这种需求在有悬臂结构以及存在镂空设计的部件成型中更加明显。这些支撑结构最终需要通过手工去除。按照以往提出的工艺步骤，很多使用SL技术的3D打印产品需要进行清洗和“烘干”。“烘干”即把零部件放到类似烤箱的机器中用强光照射以使光敏树脂完全硬化。

立体平板印刷因其出色的表面光滑度被认为是最为精确的3D打印技术之一。然而其也有局限条件，因为需要后处理的步骤，以及要保证材料长时间的稳定新，这些措施会使得产品脆性有所增加。

数字光处理（DLP）

DLP也称数字光处理，是和SL类似的3D打印技术。不同的是DLP采用更加传统的光源，比如配置带反光变形镜设备的弧光灯，它将光单向地照射到光敏聚合物树脂的整个表面，总体来讲比SL技术速度更快。

DLP像SL一样可生产具有出色分辨率的高精度零部件，也同样需要支撑结构和后处理。然而DLP对SL的优势是它只需要较浅的容器便可完成成型过程，这也会减少浪费和运营成本。

激光烧结/激光熔融

激光烧结和激光熔融这两个术语可以相互替换，它们是基于激光技术的3D打印工艺，主要以金属粉末为原材料。通过将3D模型信息提供给打印机，激光就可以在由紧实的粉末材料组成的粉床上按照X-Y坐标轴定位进行照射。当激光和粉末材料的表面接触时，这些粉末以烧结或熔融的形式和周围的粉末形成固体。当每层的固化完成后，粉床会逐渐下降，同时滚筒将新的粉末重新推到已下降粉床表面，并使其平滑，以便于新层粉末在激光的照射下熔融或烧结同之前层固化在一起。打印室必须完全密封以满足成型过程中粉末材料对熔点温度的精确要求。一旦完成打印过程，整个粉床将从打印机分离，同时附着的粉末也将同打印成品分离。这项技术的关键优势是粉床可以提供对悬臂结构以及镂空设计部件的支撑，所以在其他3D打印成型方式不能加工的复杂形状产品可以使用激光烧结熔融。然而其也有缺点，由于激光烧结需要非常高的温度，所以冷却的时间会很长。另外产品结构中存在的细小空隙也是长久以来存在的问题，虽然已经有了显著改善，但对于需要完全致密的零部件，仍需渗透其他材料来提升强度。激光烧结可以使用塑料和金属作为原材料，但金属烧结需要更高的电力支持以及更高的打印温度。使用此工艺加工的零部件的强度要比SL和DLP更高，虽然表面光洁度和精度还有待提高。

Extrusion / FDM / FFF

3D打印技术利用热塑材料的挤压是最常见的也是最容易识别的3D打印工艺。而熔融沉积造型（FDM）凭借其应用较早而成为这项工艺最为人所熟知的名字，但FDM是一个商业名称，由最初研发这项工艺的Stratasys公司注册。Stratasys公司的FDM技术自上世纪90年代早期就已存在，如今已成为工业级的3D打印工艺。然而随着入门级3D打印机的大量扩增，自2009年便出现了类似FDM的熔丝制造（FFF），目前FFF专利仍为Stratasys公司所有。最早的RepRap设备以及所有后续演进（开源和商业）都采用挤压的方法。然而，随着Stratasys的专利侵权文件的提出，当前入门级打印机市场将如何发展值得深思，因为所有这些设备将潜在地成为Stratasys处理专利侵权的对象。

FDM通过融化沉积塑料细线，并经由加热的打印头，根据由打印机提供的3D参数逐层地在成型平台上打印，其中每一层成型的材料都会沉积并粘合在之前层上面。Stratasys已经开发了一系列工业级的材料，以供适用FDM工艺的生产使用。在入门级设备市场，打印材料较为局限，但可选的范围越来越大。最常见的针对入门级FFF 3D打印机的材料有ABS和PLA。

FDM/FFF工艺对于任何涉及悬臂结构的结构都需要支撑结构。对于FDM还需要所使用的支撑结构为水溶性物质，以便于在完成打印后相对容易用水冲掉。此外，可用手工去除的分离式支撑材料也是很好的选择。支撑结构虽说是入门级FFF 3D打印机的一个局限，但随着系统升级和改进双重挤压头，问题变得越来越少了。在模型制作方面，Stratasys公司的FDM工艺是精确而可靠的，虽然也必须采取后处理。对于入门级设备，FFF工艺将生产的模型精度可能会低一些，但事情正在朝着好的方向发展。

对于特殊几何形状的模型打印速度会降低，层与层之间的粘合也可能会导致零部件不够致密而渗水，对于此，可通过使用丙醇后处理解决这些问题。

材料喷射

材料喷射工艺是将液体或者熔融状态的原材料通过多喷射头（可同时喷射系统支持的不同材料）选择性的喷射来实现3D打印。然而材料往往是液态光敏聚合物，通过紫外线的照射固化沉积到每一层。

这种产品的性质允许同时沉积一系列材料，这意味着一个零部件可以是有具有不同特性的多种材料制作而成。材料喷射是一种非常精确的3D打印工艺，其生产的零件具有非常光滑的表面。

粘合剂喷射

打印喷头中喷射的材料是粘合剂，并且选择性地喷入盛放零件材料的粉床中，并逐层融合零件材料以生成所需零件。一旦该层喷射完成，粉床逐渐下降，同时由滚轮或刮刀将新的零件粉末推到已下降的粉床表面，并是表面平整光滑，在打印喷射头下一次动作之前，附着粘合剂的这层成型并与之前层进行融合。

粘合剂喷射的优点包括具有和SLS类似的优势，即无需支撑材料，因为粉床可以提供相同的功能。此外一系列不同的材料都可以使用，包括陶瓷和食品。另外其优势在于可以轻松地将颜色调到粘合剂里，从而打印色彩丰富的产品。

粘合剂喷射的零部件直接从打印设备中生成，然而其强度并不如烧结出的零件，并且需要后处理来确保耐用性。

选择性沉积层 （SDL）

选择性沉积层 （SDL）是一种由Mcor Technologies研发并为其所有的3D打印技术。SDL的3D打印过程中使用标准复印纸来逐层构建零件。每一新层通过使用粘合剂固定到前一层，而粘合剂则通过3D数据有选择的释放。这意味着有较高密度粘合剂释放的区域将会成型为零部件，而较低密度粘合剂的周围区域将起到支撑作用，以确保零部件相对容易切割去除或者分离。

当新的纸张通过送纸机送进3D打印机，并放置在上一层中被选择释放粘合剂的位置之后，构建板移动到加热板并被施加压力。这种作用力可确保两张纸之间的正确粘合。之后构建板回到原始的构建高度。硬质合金刀刃每次通过跟踪物体外轮廓切割纸张以生成零部件。当切割顺序完成后，3D打印机开始释放下一层的粘合剂，一直到整个零件打印完成为止。

SDL是为数不多的可以使用CYMK颜色系统生产全彩3D打印零部件的3D打印工艺。而且因为零部件是标准纸张，所以无需后处理。

电子束熔炼（EBM）

电子束熔炼（EBM）3D打印技术是由瑞典的Arcam公司研发并专有。该金属打印方法在零部件从金属粉末到成型方面和直接金属激光烧结（DMLS）工艺非常相似。但关键不同点在于热源，顾名思义EBM的热源是电子束而非激光器，而这样的热源需要在真空条件下开展工作。

EBM具有使用一系列金属合金，制造全致密材料零件的能力，产品甚至达到医用级别，所以这项技术在医疗领域内得到广泛应用，特别在植入物方面。然而其他高科技行业，如航空航天和汽车领域也看好EBM技术，因为这项技术非常安全而且环保。