3D打印技术的发展及其应用
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摘 要：近年来，3D打印技术日益完善，已从实验阶段逐步进入到实际工程应用，3D打印技术始于快速成型（RP）技术，集成了CAD/CAE、电工电子控制和材料科学等现代科技领域先进研究成果，是先进制造技术的重要组成部分。本文将详细论述3D打印技术机理以及研究现状，进而为3D打印未来的发展指明方向。
关键词：3D打印;熔融沉积成型;光固化;选择性激光烧结
中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0245-02
0 引言
随着科学技术的飞速发展，生产完成了从手工业向机械化工业的过渡，从而改变了劳动者的生活与工作方式。在今非昔比的信息化、智能化浪潮中[1]，伴随着人们个性化的需求意见日渐增长，未来庞大的制造工厂也会渐渐被分散的个体取代，实现“社会制造”。社会制造的关键是主动、实时地将社会需求和社会制造能力有机地街接起来，从而实现生产和供应之间的相互转换。而3D打印是一种可以快速实现社会需求“数据模型”向个性化产品转化的高新技术[2]，是联系起由互联网、物联网、物流网组成的社会制造的网络中不可分割的一部分。它通过最质朴的方式让民众充分参与产品的全生命制造过程，必会促进个性化、经济化的设计理念的发展，并会改变传统的生产和消费模式，形成一个完整的技术链条，相辅相成，相互协同作用，最终达成新的产业革命。
3D打印又称为增材制造，是利用离散—堆积原理和三维数据进行实体化自由成型制造的新兴制造方法。与传统制造方法不同，3D打印通过数字分层和物理层积技术，通过堆砌—成型的方法加工零件[3]。由于3D打印技术将三维的零件二维化重复堆叠，因此无需开模、铸造等复杂的工艺流程即可完成零件的制造，提高了生产的效率和加工精度。
1 3D打印工艺机理
1.1 SLA（光固化/立体光刻）
目前可用于该工艺的材料主要为具有感光性能的液态树脂，即光敏树脂。在固化时需采用激光逐渐照射液态树脂，使之逐步固化成型。不同树脂材料反应原理及引发剂各不相同。以阳离子体系为例，由于激光具有较大的能量密度，当激光照射时阳离子光引发剂会快速产生强质子酸，这种强质子酸的出现会催化树脂材料使其快速固化聚合。SLA是当前应用最广泛的一种高精度形成工艺。使用该技术制造的产品优点为质感好，强度佳，耐高温，耐潮，故而主要应用于防湿、热的环境，如水下及矿井作业、汽车需要耐高温的体积较大的零部件上等。缺点为韧性小。打造出小而薄的零件易断裂。
SLA技术在发展愈发成熟的同时还是带来了一些问题。现有的3D打印机设备整体体积较大，占地面积大，为运输、包装带来了极大的困难。同时，解决因内部空间利用率低而引发的制造材料的大量浪费也是一个极大的难题。针对目前存在的问题，可以加以如此的改造：如将扫描装置改装在树脂液槽上方，大幅度减小了设备主体的占地尺寸，也便于包装和运输，相较于传统工艺节省了大量时间。
1.2 LOM（薄材叠层制作）
薄材叠层制作受材料、粘结剂和涂布工艺三者共同影响，其材料可以选择厚度较小的薄片状材料，如目前使用较多的纸材、铝箔等金属薄片或者塑料薄膜等。该技术采用激光切割原材料，材料之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热下熔化并使材料之间实现粘接，进而逐层叠加粘合制造成品。该工艺最大的优点是原材料成本相对其他工艺较为低廉，且容易获取，现取现用，且环保无毒，不会对人体造成伤害。缺点是操作性难度较高且局限性大。只能用于低熔点的材料选取范围。一般应用于生产摩托车、汽车的小型发动机零件原型件。
1.3 SLS（选择性激光烧结）
用于SLS工艺的材料是各类粉末（如尼龙粉、玻璃粉、铜粉等）。SLS工艺适用性强，基本可加工目前制造用所有常见的材料。正因为此而在业界获得广泛对其应用前景的关注。它采用铺粉棍将第一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面[4]，并给予足够能量加热至恰好低于该粉末烧结点的温度，接着利用激光逐点烧结，使粉末材料或包覆于粉末材料表面的粘接剂熔融并与下面已成型的部分实现粘合;冷却后加铺第二层、第三层重复以上操作直至得到成品。该技术最大的优点是相比LOM局限性明显缩小，既可以选择低熔点材料也可以选择高熔点材料，在一定程度上拓宽了生产面。缺点则是在烧结过程中容易出现粉末飞溅的现象，影响成品尺寸精度，且容易灼伤人体。
1.4 FDM（熔融沉积成型）
FDM技术促进了当前制造业的快速发展，目前该技术已广泛应用于机械、汽车、航空航天及建筑领域，并取得了卓越的成效。例如：FDM可以做到在不使用传统金属刀具切割的情况下，直接将所设计的三维数据快速而高效地转化為具有优良性能的实体模型。FDM技术的原材料是塑料或树脂，与减材制造相比，可实现高效化生产，最大程度降低了生产成本，并最大限度地节约了能源。
在生物医学领域方面，人们利用FDM技术制造出的人体组织器官模型，可以在临床医学中对重要危险系数高的手术进行模拟，从而降低患者的手术风险。在食品制造方面，人们研发出了食物3D打印机，将熔化的巧克力或者糖浆放进喷头并进行建模，利用FDM技术对原材料加工成型，可以获得造型独特、口感均衡的食物。
目前可用于该工艺的材料主要为便于熔融的低熔点材料[6]，相对于LOM来说成本较为低廉，且材料状态一般为丝状，又较SLS不容易飞粉。以其独特的优点在国内外被广泛使用。该工艺的优点在于取材种类繁多，如ABS、PC等常见塑料，故而具有强韧性及耐热性。然而也具有一定的劣势[5]：如虽然在软件上成功建模，但在实际Z轴方向上具有各向异性，故而在垂直方向力学性能较差。且复杂产品表面会出现台阶纹路，影响产品美观与精度。
1.5 SLM（选择性激光熔化）
SLM技术可以称为建立在SLS的基础之上的改良。铁基合金在工程领域应用最广，因此铁基合金的SLM工艺也是目前较为成熟。其成型原理与SLS相似，不同点则在于，SLM需要添加支撑结构。其主要作用为：支撑下层粉末，防止激光扫描时形成塌陷，影响最终成品的精确度与美观;防止成品因热胀冷缩而导致零件边缘发生翘起。因此，SLM技术在很大程度上优于SLS技术。其主要优点有[6]：均采用金属材料，极大程度地保证产品的高硬度、耐磨，延长了产品的使用寿命。然而，弊端则是金属材料价格偏贵，更由于其自身的性质导致其生产速率偏低，自然效率相比较其他技术而言更为偏低，目前仅限于模型或工艺品的打印制作。 2 3D打印的应用
近几年，随着参数化设计在各个领域的普遍应用，3D打印技术与参数化设计结合得愈加紧密的同时也得到了飞速发展，目前在铸造领域、生物工程领域、艺术设计领域有着广泛的应用。
熔模铸造是3D打印在金屬铸造方面的主要的应用[7]，一般使用熔融沉积造型（FDM）工艺来进行加工制造，由于该技术可以精确并高质量的完成加工任务，因此在小批量制造复杂金属构件中起到了重要作用。
在生物工程领域[8]，3D打印技术主要负责聚合物医疗材料及细胞生物的制造。前者依靠于FDM及SLS技术，基于“增材制造”原理，添加生长因子、生物材料、细胞等为主要原材料，用于构建人体组织和器官。对比与其原理相似的生物技术--基因工程中的转基因克隆技术，该技术的优点为明显缩短了从开始制造到获得完整器官获细胞的时间，是当下3D打印技术的最高水平代表之一。
在艺术设计领域[9]，3D打印技术拓宽了艺术设计师们的设计思路并极大程度的降低了加工难度。不需要经过传统的制造流程和工艺，设计师通过在软件上操作鼠标建模，随后导出至3D打印机进行打印，只需一个3D One软件和FDM技术，就可以将惊为天人的艺术作品快速加工完成。3D打印技术的出现可以实现私人订制，充分满足客户的需求，同时简化了从设计到加工的复杂流程和工艺，充分实现了高水平的艺术创作和高水平的加工能力的完美匹配。
3 结语
目前3D打印技术成为制造领域炙手可热的课题，并在实际工程中慢慢显现出独特的优势。3D打印技术作为一种新颖的制造技术，在高速发展的同时，应着重突破原材料的限制和三维制造方面的技术难关，同时降低制造成本，让科学技术真正造福于民。未来的3D打印技术将向着更智能化的方向发展，与传统制造手工业结合，在大数据物联网快速发展的今天，3D打印技术也许会引领整个制造业朝着智能化、高效化制造方向发展。
参考文献
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[2] 段望春，高佳佳，董兵斌，等.3D打印技术在金属铸造领域的研究现状与展望[J].铸造技术，2018，39（12）：2895-2900.
[3] 申琦，余森，牛金龙，等.选区激光熔化制备镁基材料研究进展[J].材料导报，2019，33（S1）：278-282.
[4] 周鹏，郭龙，赖书城，等.光固化3D打印快速成型技术[J].物联网技术，2017（04）：103-104.
[5] 司马建高，陈军，李亚东.SLA 3D打印技术在熔模铸造中的应用[J].特种铸造及有色合金，2018（4）：379-381.
[6] 唐通鸣，张政，邓佳文，等.基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势[J].化工新型材料，2015（6）：228-230.
[7] 叶小峰.数字化3D打印与艺术设计[J].艺术教育，2019（01）：242-245.
[8] 姜涛，程筱胜，崔海华，戴宁.3D打印相关技术的发展现状[J].机床与液压，2018，46（03）：154-160+146.
[9] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等.特约3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.
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