3D打印技术设备的现状与发展

刘 智 ，赵永强 ，2

（1．陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723001；2．陕西省工业自动化重点实验室，陕西 汉中 723001）

3D打印技术不同于传统的“减材制造”技术，它是一种新型的增材制造方式，通过数字化模型离散目标实体模型，在通过材料的层层堆叠方法，逐渐累积出一个目标三维实体的技术。该技术在不使用传动复杂的刀具或模具的情况下，使用熔融材料堆叠成具有复杂的传统工艺难以实现的结构，有效的简化制造工艺，降低生产成本。3D打印技术相较于传统工艺，具有极大地设计自由度，适用于小批量生产，后处理方便，产品可预测性高，并且一体化成型，无需复杂的装配工序，极大简化生产成本。

本文通过对比传统工艺制造方法，展示了3D打印技术在实际生产中的优势，并指出不同材料对应的特有的3D打印方式和原理，归纳总结了现阶段不同的3D打印设备的特点和方法，并列举了几种实现多自由度打印设备，列举了3D打印技术的应用领域和趋势。

1 3D打印的成形原理和方法

3D打印机作为一种将机械、控制和计算机技术基于一体的复杂一体化成型系统，是3D打印技术的核心设备[1，2]。3D打印机获取到CAD实体模型、CAD实体的分层处理、通过打印机堆叠成型和实体后处理四个阶段，其原理图如图1所示。

图1 3D打印的成形原理示意图

3D打印机在打印实体时，先通过计算机三维建模或三维扫描技术获取实体模型，然后使用计算机分层软件将实体模型分层产生数据文件，再将数据文件传输给3D打印机，打印机根据指令驱动打印喷头或激光发射器按照预定路径进行挤出材料或激光烧结，形成固化平面层，第一层打印后，打印头会重新移动到第二层开始的位置，重复上述动作，直至循环往复堆叠成目标实体[3]。3D打印实现方式完全满足现代人们对于虚拟化、数字化的实体模型转化现实物品的追求，所以迅速在全球得到发展。

3D打印技术不同于传统工艺的切割或模具成型，人们发现其在制造内部凹陷、空心或结构互锁的结构形状时有着无可取代的优势[4]。通过分析可得至少具有以下6大优势：

（1）高复杂度产品生产，低成本消耗。对于使用等量的材料打印出两个复杂程度截然相反的实体所消耗的成本一样[5]。就传统工艺而言，单个复杂的实体加工意味着复杂的工序，同时对应高额成本，而3D打印方法分别打印两个相同体积的结构复杂和简单的实体来说，人员应用、材料损耗和时间消耗都几乎没有差别[5]，如图2所示。

图2 复杂结构一体成型

同时，传统工艺制造的产品形状都比较单一，而唯一局限3D打印形状制造的就在于设计者的想象力[6]。

（2）简化装配程序和交易过程。3D打印机最主要的特点就是装备一体化成型，无需如传统工艺一样建立不同的生产线和运输线来实现零件的运输与组装，极大降低了运输和组装带来的时间消耗和成本提升[5]。

传统工艺制造的生产模式是通过流水线大批量生产来降低成本，从而获取利润[7]。而3D打印技术可以根据人们个性化需求定制所需要的所需要的产品，这扩大了产品多样化和柔性制造的引用范围，同时降低单个成本的制造成本，加速产品发布，从而快速响应消费市场[8，9-11]。同时，采用3D打印制造方法，可最大限度减少工厂库存、缩短交付时间、避免大批量运输成本、降低产品生产导致的环境污染。

（3）降低制作门槛、设计自由度高。对于传统制造工艺来说，熟练工人意味着漫长的培养周期，而3D打印制造的出现降低了生产制作的门槛。通过计算机的设计和分层，3D打印机的控制和制造，降低生产人员的技能要求，即可完成产品制造或复制，甚至可以在远程控制和极端环境下（如太空）完成生产制造[12]。

传统制造工艺复杂的实现方法限制了大多数设计思路，而3D打印机可以无限放宽设计人员的思想，从实现前所未见的形状。

（4）携带方便，制造空间大。3D打印机的优点还在于结构轻便，便于移动，并且实体制造的大小自由度高，甚至可以实现打印机等体积的实体打印。同时，3D打印机无需拘泥于工厂加工，调试完成后可以在家里、办公室实现产品制造[13]。

（5）多种材料组合打印。传统制造工艺多是采用对单一金属材料进行减材加工与生产，这产生了极大的产能消耗和材料浪费。相对而言，随着3D打印机精度的提高，更加节约环保的“净成形”制造概念逐渐兴起；此外，在3D打印机上可以进行不同原材料的有机组合，产生色彩丰富、功能和属性独特的材料[14]。

（6）高精度的实体复制。随着3D打印技术的提高和3D打印机精度的提升，我们可以进行精确的实体复制。通过使用高精度的扫描和打印技术，经由实体化和数字化的转换，对实体对象进行精确复制与优化。

2 3D打印方法和设备

2.1 3D打印方法

3D打印根据不同实现方法分为熔融沉积式（FDM）、层叠法成式（LOM）、喷墨粘粉式（3DP）、电子束选区融化（EBM）、激光选区融化（SLM）、金属激光熔融沉积（LDMD）、电子束熔丝沉积（EBF）和光固化成型（SLA）[15，16]。如表 1 所示。

以上即是几种3D打印常见的工艺方法，可以根据不同应用环境和背景选择合适的材料和方法进行打印，以达到最好的应用效果。

2.2 3D打印设备特点

21世纪初期，由于3D打印技术的初步发展，打印精度低，传播速度慢。直到2008年，RepRap发布了开源3D打印机“Darwin”，开启新的3D打印时代；同年，多种材料的3D打印得以实现[22]。现有的3D打印机的坐标系构型主要包括4种形式，分别是Cartesian坐标系、Delta坐标系、极（Polar）坐标和平面关节（SCARA）坐标[23]，如表 2 所示。

随着打印结构精度的要求和对于打印过程的简化，3D打印设备已经不拘泥于上述几种固定结构，许多学者亦致力于多角度、无支撑、多轴实现3D打印设备的思考和研究。

表1 常见3D打印方法及其特点[5，17-21]

表2 常见3D打印设备坐标特点[24-28]

潘英等人[29]设计出一种新型并联机器人，采用4个平行四边形结构和铰接动平台、定平台组成闭环结构，在铰接动平台上连接打印喷头实现3D打印。如图3所示，铰接动平台由四个纵向驱动模块牵扯实现平行关于定平台平面的位移变动和纵向位移层厚叠加变化。该结构通过五自由的并联结构可以实现多向3D打印，并且相较于一般的并联机构，打印空间更大；但其无法改变铰接带来的关节稳定性问题和在空间变换时的失误。

图3 新型并联机器人

Lee等人[30]采用细丝滚轮式3D挤出方法和五轴机床相结合，如图4所示，打印平台与旋转轴固定连接，使打印平台随旋转轴转动，Z轴安装打印主轴，从而实现无支撑的五自由度打印方法。该方法将精确的机加工方法和可实现快速成型复杂特征的3D打印制造方法实现有机结合，组成的混合系统可以在无支撑状态下实现FDM打印。

图4 3D打印技术与五轴机床结合

李仲宇等人[31]采用五轴机床和3D打印挤出机接和为一体，设计出一种5+1轴的增减材混合加工设备，如图5所示，采用导轨滑块将打印喷嘴固定在主轴夹具上，先通过喷嘴实现3D打印成型，然后将喷嘴滑至导轨顶端锁止，使其不影响切削过程，在进行切削加工，处理工件表面。然而切削加工的介入，虽然有效的提高了工件表面质量，同时也限制了工件形状设计的自由度。

图5 5+1轴增减材设备

Brooks B J等人[32]将3D打印技术与六自由度工业机械臂相结合，如图6所示，将打印平台至于工业机械臂的末端执行器，通过改变机械臂传输轨迹改变末端执行器的目标位置和方向，实现曲面的打印。

以上几种结构形式，极大地扩展了3D打印方法在商业背景下的应用，可以提供更加广泛和精确的工件实现方法，提高打印实体的多样性、结构强度和表面精度。

图6 3D打印与机械臂结合

3 应用领域与趋势

随着3D打印技术的发展和完善，打印实体工件的复杂度也不断提升。3D打印技术逐渐在航空航天、交通运输、工业装备、电子产品、医疗、教育和建筑等方面的到广泛应用。Wohlers Associate搜集包括228家打印技术行业相关商家与企业的营收信息，得到国际快速制造行业权威报告《Wohlers Reports 2019》中统计的3D打印在各行业中的应用的占比如图7所示。从图中可以看出，交通运输、消费电子产品、航天航空、医疗和工业装备占据具有了重要的比重，这也表示了3D打印技术无论在个人消费方向还是高新技术领域都具有广阔的应用前景。

资料显示，整体增材市场继续呈现上升势头，有诸多新参与者，投资数亿美元。整体市场包括107项早期关于增材市场的投资，筹集的资金总价值近13亿美元。值得注意的是2018年粉末合金比重增长了41%，价格高于5000美元的工业3D打印机OEM销售产量增加的同时，制造商数量从135家增长到177家，同比增长了31%。同时低于5000美元的桌面3D打印机制造商的数量有明显下降。

图7 3D打印技术应用领域

3.1 汽车行业

目前在汽车行业，3D打印技术多是应用于汽车零件设计、模具设计和原型概念设计[33]。零件和原型样件采用3D打印可快速直观的感受设计者的思想理念，也能够明显的发现其中问题所在，从而进行优化产品，实现良性、快速的设计闭环。同时对于部分个性化零部件的设计和维修可以直接制造和安装。由于现阶段3D打印金属件的成本较高且生产效率不高，仅用于部分高端车的性能改进部件。如图8所示为3D打印出的薄壁离合器壳体。

图8 3D打印的薄壁离合器壳体

3.2 航空航天

在航空航天领域，3D打印主要用于复杂零件制造、拓扑优化制造、结构功能部件的一体化设计、异种材料制造、发动机快速试制和模拟装配等[34-36]。美国GE公司采用3D打印技术制造出燃油喷嘴部件，如图9a所示，采用一体化制造，通过恰当的热处理达到传统工艺锻造的材料性能[37]。美国AeroMet公司得到美国军方和军机企业的支持，使用激光沉积技术对钛合金结构叶轮进行修复和装机应用[38]。美国Sciaky公司联合Lockheed和Martin等公司于2002年期间对于采用3D打印技术制造大型航空技术零件进行深入研究，并且制造出满足AMS4999标准要求[39-41]，如图9c所示为Sciaky公司生产的钛合金飞机零件。

3.3 生物医疗

3D打印在生物医疗方面的应用主要集中于器官修复和移植、构建软组织支撑、骨骼或口腔颌面植入、美容整形、医学器材和医疗辅助器械等[42-45]。如图10所示为3D打印技术在生物医疗上的应用。

在关节外科方面，通过按照患者特定的身体缺陷，打印出独有的矫正器具；在手术内科方面，可以通过打印患者病患模型，进行术前的方案拟定，总结出最优手术方法，提高手术的安全性和成功率，在颌面科、骨科和口腔牙科方面，可以打印出符合患者个人特征的手术导板、助听器、骨组织支撑、义齿或透明牙套，帮助患者整形复原；在康复科方面，打印出舒适方便的康复辅助器具等。

图9 3D打印技术在航空航天领域的应用

图10 3D打印技术在生物医疗上的应用

除上述主要领域外，3D打印技术也逐渐在建筑、食品、服装甚至艺术行业得到越来越广泛的应用。伴随着科学的进步，3D打印技术的设备、控制系统和精度方面有着很大的改进和提升，成本也随之降低，使其在人们生产和生活中占据越来越重的比重，同时对于人们的生产和生活方式也在潜移默化的发生改变。

随着3D打印的多样化发展和进步，成本也随之降低，加工周期也会逐渐缩短，精度要求也会逐渐提升，原材料和能源的利用率随之提升，环境影响逐渐减小，与网络结合将日益紧密，人们可以自己参与设计，上传和打印，打破固有的生产制造格局。

4 结语

3D打印技术的蓬勃发展，打印方式的日益多样化，打印设备的精度不断提高，为3D打印技术在交通运输、航空航天、工业装备和医疗设备方面有了极大地运用和拓展，但是也仅仅适用于个别零件的替代、维修和模型的展示作用，还无法真正应用于大规模的工业生产。随着全球各个国家政府意识到3D打印技术的重要性，并出台了相应的扶植政策，3D打印技术势必会高速发展，走进千家万户，丰富和提高生活水平与质量。