3D打印技术的应用前景与展望

孔敬,范鹏,雷雨晗,马杨

KONG Jing1, FAN Peng1, LEI Yu-han1, MA Yang2

（1.内蒙古科技大学；2.沈阳建筑大学）

(1.Inner Mongolia University of Science and Technology； 2.Shenyang Architecture University)

3D打印技术的应用前景与展望

孔敬1,范鹏1,雷雨晗1,马杨2

KONG Jing1, FAN Peng1, LEI Yu-han1, MA Yang2

（1.内蒙古科技大学；2.沈阳建筑大学）

(1.Inner Mongolia University of Science and Technology； 2.Shenyang Architecture University)

在信息化社会的今天，3D打印技术将在全球范围内的各个领域，引领一场由信息、原材料和能量三大要素构成的科学技术变革，让人类冲破现实世界与虚拟世界的阻碍，跨越技术与艺术的鸿沟，掀起全世界范围内的创新浪潮。3D打印技术的出现，将肩负着划时代的重大意义。

3D打印；技术运用；前景与展望

1 3D打印技术的概念

3D打印技术于2010年开始逐渐进入人们的视野。3D打印技术又被称为快速成型技术，同时也是增材制造技术（Additive Manufacturing)的总称。美国材料与试验协会对增材制造技术定义为：“基于3D模型数据，采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程，通常通过电脑控制将材料逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为立体实物，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术”。这一项新兴的高科技产物正在人类世界的各个领域迅速发展壮大，现已知日本名古屋市工业研究所是最早公开进行实体模型打印的机构，而由美国发明家Charles Hull于1983年开发的商业3D打印机，是公认的第一台享有专利权的打印机。

2 3D打印技术的分类

目前，3D打印技术中比较成熟的三种主要技术分类为：熔融沉积型、激光烧结型、光固化型。

2.1 熔融沉积型(FDM)

熔融沉积类技术是普及率最高的3D打印技术，其工作原理为：热塑性丝状材料被热管喷头加热并管化成半液体形态，再经过喷头挤压出工件的横截面轮廓，通过喷头在工作台上的往复运动，使之逐层形成薄片，重复这个过程，便可生产出最终产品。英国巴斯大学机械学院的 Adrian Bowyer等人设计的reprap3D打印机没有专利限制，所有软件和硬件人们都可在家中直接购买并自己动手组装reprap3D打印机。此类打印机生产过程环保，硬件成本低且易于操作，所有加工的部件一次成型，不会产生多余的废料、有毒气体或有害化学物质；同时，FDM这种3D打印技术所需的材料价格也极为低廉，以上优势均为FDM类技术普及的重要原因。但相较于其他3D打印技术，此类工艺产品表面比较粗糙，对产品加工的精度相对较低。

2.2 激光烧结型（SLS）

激光烧结技术的工作原理是需要先将工作台温度升至粉末的熔点温度，然后通过激光束照射粘结剂和塑料的混合型粉末，逐层按照横截面的轮廓进行烧结，使得材料逐层熔融形成离散点，然后冷凝结合在一起，最后固化成型。SLS技术的优势在于成型精度高，并且经过高温成型的模型具有很高的结构强度，所以非常适合应用在需要特殊材料成型和复杂的特种零件成型等领域。但该技术的缺点在于能耗较大，对成型材料和工作环境均有较严格的要求，同时激光仪器设备比较昂贵，因此只在大型制造企业和研发机构中应用较多，不太适合普通民用。

2.3 光固化型(SLA)

光固化技术将光敏树脂作为成型材料，利用了立体雕刻的原理，将该材料放进加工模具中，按照计算机预定的程序，通过聚焦的激光对光敏树脂材料表面进行扫描，触发照射点的聚合反应，最后完成固化成型，当一层打印好之后，重复以上过程逐层成型。SLA的成型方式结合了前两种技术优点，成品表面精度高，尺寸误差最小。该工艺特别适用于加工外部形状或内部结构特别复杂、体积较小、造型要求精细的产品或零部件。但由于SLA的制作成本比较高，且SLA使用光敏树脂作为原材料，长时间处于接收自然环境空气中所含的水分，很可能使物体形状发生一定的改变，不能长时间的暴露在空间中。加州大学伯克利分校的一些研究人员和仿生研究所合作，尝试以仿生学为工具开发出一种可持续的3D打印材料，最终找到一种对人和环境都完全无害的高性能SLA使用材料。

3 3D打印所用材料的分类

3D打印技术需要使用特定针对3D打印的仪器设备和3D打印技术工艺，而研究开发的材料，与常见的塑料、石膏、树脂等现有材料存在一定的差别，这类新型材料形态普遍分为粉末状、丝状、层片状和液体状等。迄今为止，3D打印技术普遍使用的材料为工程塑料、光敏树脂、金属材料和陶瓷材料，以及其他复合材料。

本文选取目前最常用的PLA塑料和ABS塑料作为主要对象，从成本、材料性能和后置处理三方面与其他材料进行比较分析。

1)成本（不包含后置处理和人工费用）：如果对同一结构体积的材质球进行打印，根据在网络上查阅的各类耗材价格，PLA塑料＜ABS塑料＜树脂＜全彩砂岩＜尼龙＜蓝蜡＜金属。因此，从产品的造价成本上可以总结出，PLA塑料和ABS塑料为最低，也是最切合低成本的耗材使用需求。

2)对于最小细节的表现方面，蓝蜡材质可以表现出0.1mm，而贵重金属材料的表现为1.0mm，PLA塑料和ABS塑料处于中间水平，为0.5mm，无特别之处。

在最小壁厚方面，PLA塑料和ABS塑料的最小壁厚为1.0mm，跟壁厚0.6mm同为塑料类的尼龙相比几乎没有差别，属于正常范围内，可以实现多数普通产品的塑造要求。

在最高精度方面，基于材料本身因素的影响，0.3mm的PLA塑料在最高精度方面略低于平均水平，而0.1mm的ABS塑料表现更加优秀。

3)后置处理：对于产品色彩的后置处理方法有喷漆上色、浸染和电镀等多种方式。但是目前国内浸染技术不太成熟且成本较高，电镀技术由于操作较为复杂因此成本也居高不下。所以，目前喷漆上色是最为方便可行的产品色彩后置处理方法。

目前市面上使用频率最高的3D打印材料主要为：工程塑料和金属材料两大类。工程塑料类材料主要应用在消费级产品制造市场中，日常生活中出现的3D打印产品大多数都是由ABS、PLA、尼龙和光聚合物这四种材料制成的。而在航空航天与国防、汽车、医疗等行业领域，金属类材料制作的产品具有极大的发展空间，最符合市场需求，未来发展前景也会更加广阔。

4 3D打印技术的发展趋势

4.1 多材质同时打印

多材质同时成型在传统制造业生产中一直难以实现。现阶段，FDM成型技术的3D打印机已经可以通过多个喷头来实现不同种塑料同时成型，还可以将其中一种材料置换成蜡质作为支撑材料，极大地简化了制件的后置处理工作。3D打印技术根据金属材料本身的物理特性，进行不同的合金成分的配比设计和结构设计，使元件既能一体成型，又可以使其不同的部位实现不一样的工程特性。通常需要多次热处理或者局部渗碳等一系列复杂工艺，且同时拥有高硬度外层和富有弹性内层的元件才能完成制造。3D打印技术还能够在连续生产的过程中，重新调整材料参数进行多色彩打印。美国麻省理工学院科学家开发出了一台可同时打印10中材料的打印机，并且该打印机使用方便，价格便宜，使用时可以直接在建模时嵌入复杂组件，如电路、传感器等，也可以根据自己的需求选择打印零部件还是整体部件。这种打印机采用“多制造”系统，打印分辨率高达40μm级，是目前世界上精密度最高的3D打印机。

4.2 生物组织结构打印

再生医疗是一个快速成长的科技领域，是医疗将来发展的重要方向。近年来已经有研究团队通过3D打印技术，配合人体干细胞的研究实现了肾脏等主要器官的打印制作。目前，伦敦帝国学院生物工程系生物工程博士生Stephen Gray及其团队，携手发明了一款低成本的生物打印机，这台机器能够使用10种不尽相同的原料完成在一种生物结构中的打印。为了保持细胞活力，该机器还配置了加热的隔音罩，可应用的领域包括人体组织、制药、食品、合成生物学、电子、乃至纺织品等。该机器可以支持包括胶原、明胶、海藻酸盐、壳聚糖等所有凝胶状的原料。

4.3 体素打印

体素概念的提出是相对于像素来说的，现有工程技术可以制作出像素单元，其小于人的肉眼分辨率，个别技术还可以制作纳米级的处理器单元。但伴随着3D打印技术的进步，在三维尺度上，可以排列打印具有独立功能和结构的元件。3D打印技术将可以制作任意形状的显示屏、太阳能电池和立体芯片，之前的产品架构随着3D打印技术的发展也将被改写，芯片、显示屏等部件不再被独立制造，利用3D打印技术多材质打印的优势，实现整个产品的一体化制造，未来的产品将更加数字化和具有生物性。

5 3D打印技术的优势和不足

3D打印技术将引领大批量制造模式向个性化制造模式的发展，其突出优势在于节约制造成本、提高生产效率、实现复杂结构的一体化制造。其核心理念就是逐层增加的增材制造，3D打印由于制件一体成型，因此不需要由零件嵌入的材料来起到在产品构建期间的支撑作用。因为这种与大多数传统制造工艺相反的制造方式，使得3D打印技术允许将部件以任何能够想象的角度定位在构建平台上，这种方式决定了3D打印技术不用考虑各类材料的加工方式限制，只需要关注物体在空间位置上的相互关系。集中的成型制造方式可以极大地提高设备材料的使用效率，有利于减少能源消耗和材料的浪费，生产过程更加绿色环保。

目前3D打印技术的发展瓶颈主要体现在两方面。

1）3D打印技术的成本过高，缺乏大量应用环境。迄今为止，3D打印技术的技术水平还没能够发展成熟，打印过程必须依赖在前期先建立准确的坐标系统之后，才可以进行打印，整个过程需要软件、设备和材料等许多领域的配合，而目前后两个环节的发展还仍然在探索阶段。目前高精度3D打印机的价格还居高不下，并且构建三维模型的软件大部分需要复杂的操作技巧，需要耗费一定的时间进行了解和学习，使得民用化得不到快速普及。

2）打印质量和材料的限制。目前不同的3D打印机的打印精度差别较大，商品化的桌面级3D打印机普遍存在着精度不够的缺陷，打印的产品尺寸要求和表面质量都还不能满足较高的使用需求。在原材料的选择方面，迄今为止，可以用于3D打印的材料种类非常有限，还不能跟传统制造业材料的丰富程度进行比拟，而且由于成型工艺的不成熟，导致产品成型后的结构强度普遍达不到使用标准，仍需要热处理等后置处理方法来增加强度，极大地限制了3D打印技术可以使用的范围。3D打印技术目前还不能实现跨类别材质同时打印，因此，最常见的使用范围仍然局限在制作功能和结构都相对单一的产品上，但伴随着计算机技术以及新型制造产业在未来进一步的发展成长，3D打印技术将会更好更快的发展。

6 结束语

本文通过对3D打印技术原理的理论阐述，论证了材料技术、人的需求与时代发展这三者间的相互关系和影响，并着重对3D打印技术的概念、技术分类、材料分类和3D打印技术的优势和不足进行了较为详细的论述，为深入讨论在信息化社会的大环境下，3D打印技术对设计领域所带来的影响提供了理论支持。

Application Prospect and Expectation of 3D Printing Technology

In the information society of today, 3D printing technology in the global scope of various fields, leading a made up of information, raw materials and energy is the three elements of science and technology change, let people through the real world and the virtual world obstacles, spanning the gap between technology and art, set off a worldwide wave of innovation, 3D printing technology, will shoulder the important significance of the epoch-making.

3D printing; technology application; prospect and expectation