浅析3D 打印的现状与前景

关彦齐 王芳芳＊

（1、齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔161000 2、齐齐哈尔市昂昂溪区工业园区管委会，黑龙江 齐齐哈尔161031）

3D 打印是一种增材制造技术，与传统减材制造技术的生产原理恰恰相反，3D 打印技术是根据三维模型数据进行离散/切片化，可计算出每种产品的数千个横截面，确定每层的构造方式，层堆的方式直接制造出各种结构的产品[1]。与减材加工相比3D 打印相关的金属应用中的废料减少了40%。此外，95%～98%的废料可以在3D 打印中回收。本文分别从多种3D 打印技术的发展现状和关键工艺技术进行了介绍，并对3D 打印所面临的不足、挑战和未来的可能性进行客观讨论。

1 增材制造技术的现状

1.1 国际巨头发展现状

3D 打印技术近些年发展突飞猛进，经过重组、整合后国际上的领头羊非美国3D Systems 和Stratasys 公司莫属，另外，Shapeways 公司、英国的Reprap 等也具备一定实力。3D Systems在2019 年第四季度相继发布了近10 种材料，最近发布的材料为VisiJet?M2S-HT90，该材料为耐用品和汽车应用而设计，非常适合在高温环境下工作的零件（如电器、外壳和外壳）的功能性原型制作，且其具有生物相容性也非常适合医疗保健应用。Stratasys 公司2020 年初在FDM 工艺发力，研发出了F370 打印机，其人性化设计大大提升了设备的自动化程度。

1.2 国内发展现状

国内3D 打印技术起步相对国际较晚，但目前在3D 打印技术的某些领域已经达到了国际的领先，如共享装备股份有限公司在2015 推出了工艺、材料、软件、集成及设备全部为国产化的工业级铸造3D 打印机。在2018 年由华中科技大学等单位承接的“杂零件整体铸造的型（芯）激光烧结材料制备与控形控性技术”项目荣获国家科技进步二等奖，使我国增材制造铸造领域在国际达到先进水平。除此之外如西北工大、北航、华中科大、清华、西交等高校在激光快速成形系统、激光熔融沉积方法、电子束选区熔化等方面也有了巨大的进步。

1.3 增材制造的主要关键技术

目前3D 打印的主要工艺有如下几种[2-3]：

熔融沉积建模（FDM）是将热塑性聚合物的连续长丝用于3D 打印材料层。长丝在喷嘴处加热至半液态，然后挤出在平台上或先前印刷层的顶部。聚合物长丝的热塑性是该方法的基本特性，它允许长丝在印刷过程中融合在一起，然后在印刷后在室温下固化。

选择性激光烧结或熔化（SLS 和SLM）可用于多种聚合物，金属和合金粉末进行烧结成型或融化凝固成型。烧结时激光功率和扫描速度是影响成型过程的主要参数，该工艺的主要缺点是工艺缓慢，包括当粉末与粘合剂熔合时的高成本和高孔隙率。

立体光刻（SLA）是使用紫外线在树脂或单体溶液层上引发链反应。单体具有紫外线活性，并在活化后立即转化为聚合物链。聚合后，固化树脂层内部的结构，以固定后续层。打印完成后，将未反应的树脂除去。SLA 以低至10μm 的精细分辨率打印高质量的零件，但它打印速度相对较慢，并且用于打印的材料范围非常有限。

直接能量沉积（DED）已用于制造高性能超级合金。这种方法也称为激光工程网成形（LENS?），激光固体成形（LSF），定向光制造（DLF），直接金属沉积（DMD）等。用的能源直接聚焦在基板的小部分上，也用于同时熔化原料，然后将熔化的材料沉积并融合到熔化的基材中，并在激光束移动后固化。DED 通常与钛、铬镍铁合金、不锈钢、铝和相关合金一起用于航空航天应用。但是，与SLS 或SLM 相比，它具有较低的精度，较低的表面质量并且可以制造复杂程度较低的零件。因此，DED 通常用于复杂度低的大型组件，也用于修复大型组件。

分层实体制造（LOM）基于对板材或材料卷的逐层切割和层叠。使用机械切割机或激光将连续层精确切割，然后将它们粘合在一起。该方法还可以通过在粘合之前去除多余的材料来促进内部特征的构造。切割后多余的材料留作支撑物，过程完成后可以去除并回收利用。LOM 可用于多种材料，可以减少工装成本和制造时间，并且是用于大型结构的最佳增材制造方法之一。但是，LOM 的表面质量较差，与SLS 和SLM 方法相比，其尺寸精度较低。

以上是目前3D 打印常见的工艺方法，根据各自的工艺特点在不同的领域有不同的应用，但是这些工艺都是基于离散／堆积的原理，实现零件从无到有的过程。

以上是增材制造技术常用的生产加工方法，根据其工艺原理的不同，它们在不同的领域有各自的作用，但这些加工过程都是基于离散化和层叠的基本原理，实现零件从无到有的增材制造过程。

2 增材制造技术现阶段的不足及前景

2.1 增材制造存在的不足

3D 打印在诸多领域中有着广泛的应用，并且有省材、制造多样化等诸多优点。但用于3D 打印的材料有限，对材料的利用提出了挑战，因此需要开发可用于3D 打印的合适材料；随着3D 打印的普及，只要有立体模型，便可以无限的复制并打印出来，3D 打印的知识产权为亟需解决的问题；3D 打印具有多样性，现阶段已经有打印出的活体组织的器官，是否触碰道德底线的界限还很模糊；目前工业级的3D 打印机售价高昂，动辄几百上千万元，如果要迅速发展，打印机的价格还需下调。

3D 打印技术虽然可以在理论上得到绝对的高精度，但要在实际生产过程中得到较高的成型精度，在技术上需要研究、控制的问题仍然很多，如尺寸精度、形状精度和表面精度，同时伴随着翘曲变形、扭曲变形、局部缺陷和椭圆度误差等。影响快速成型原型精度的因素有很多，主要有前期数据处理误差、成型加工误差、后处理误差三个方面。另外3D 打印技术的制造特点还使其容易产生内部缺陷。因此，成分分布和凝固组织特征及形成机制、构件内部缺陷的形成机理和控制方法、内部缺陷对性能的作用机制及检测方法也是重要的研究方向。此外，3D 打印技术仍受到设备成本的限制，在我国仍不能被广泛应用。

2.2 增材制造的前景及发展趋势

3D 打印技术作为21 世纪一项迅速发展的新技术，其具有的独有优势是显而易见的，克服各种限制，使增材制造技术向快速化、智能化、多种材料集成化、便捷化、大型化的方向发展，并制造出高精度、高质量、低成本的产品。

3D 打印在不久的将来可以把产品设计与产品制造分开。随着3D 打印技术的发展，消费者将能够在线购买设计，然后在家中制作产品。部分研发公司可以将零配件的制造承包给第三方，然后由第三方根据电器制造商提供的三维模型制造零件。由于无需保留任何库存，因此零件成本可以降低。

3D 打印技术在生物医学市场将大有作为。生物医学具有高复杂度，研究面临着复杂性和创新方法的挑战。3D 打印的柔韧性可以通过工程化新型材料来制造极其复杂的形状，定制特定于患者的必需品。

航空、航天、船舶、新能源汽车等领域属于朝阳行业，且零件一般具有复杂的几何形状、难于加工、需定制生产、轻量化、强度高等特性，待材料和强度关卡突破后可推动3D 打印在诸多领域的应用。

3 结论

3D 打印技术，不仅提高生产过程中材料的利用率，降低由于工装投入、制造及返修带来的加工成本，缩短研制周期，加快生产效率。但是目前对3D 打印过程中成型性和缺陷形成机理的研究认识还不够深入，导致构件的成型精度、表面粗糙度、力学性能等远达到理想状态；另外，在使用材料和构件类型方面需要进一步研究。