一、3D打印簡介

3D打印技術(shù)從狹義上來說主要是指增材成型技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)被譽為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。從成型工藝上看3D打印突破了傳統(tǒng)成型方法，無需先行制作模具和機械加工，通過快速自動成型硬件系統(tǒng)與CAD軟件模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，這使得產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。

3D打印目前的研究熱點主要集中在材料和設(shè)備，其中設(shè)備分為硬件、軟件部分：

材料：包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天然材料等，通過3D打印技術(shù)，這些材料最終將變成實在的功能產(chǎn)品。

設(shè)備：硬件系統(tǒng)將材料按照軟件（設(shè)計數(shù)據(jù)和制作數(shù)據(jù)）的要求實現(xiàn)產(chǎn)品成型。

下面將逐一分別介紹：

二、3D打印常用材料

材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。

目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融沉積造型）快速成型工藝常用的熱塑性工程塑料，具有強度高、韌性好、耐沖擊等優(yōu)點。

光敏樹脂即UV樹脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏材料3D打印技術(shù)的主要有美國3Dsystem公司和以色列object公司。常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。

橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。

金屬材料：在國防領(lǐng)域，歐美發(fā)達國家非常重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，不惜投入巨資加以研究，而3D打印金屬零部件一直是研究和應(yīng)用的重點。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料硬而脆的特點使其成形尤其困難。

（1）3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多，固化比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結(jié)劑份量少，則不易固化成形。

（2）由于光敏樹脂的熔點較低，液態(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。

（3）瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。

目前，國內(nèi)陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟，正處于研究階段。

三、3D打印設(shè)備技術(shù)

3Ｄ打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。

1）信息技術(shù)先進的設(shè)計軟件及數(shù)字 化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。

２）精密機械，３Ｄ打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的生產(chǎn)要求高精度，必須對打印設(shè)備的精準程度、穩(wěn)定性有較高的要求。

根據(jù)成型原理的差異我們主要介紹一下幾種常用的3D打印技術(shù)：

1、分層實體成型工藝（LOM），這是歷史最為悠久的3D打印成型技術(shù)。LOM技術(shù)成型多使用紙材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精度高。如圖所示為LOM技術(shù)的基本原理

（1）分層實體成型系統(tǒng)主要包括計算機、數(shù)控系統(tǒng)、原材料存儲與運送部件、熱粘壓部件、激光切系統(tǒng)、可升降工作臺等部分組成。

（2）其中計算機負責(zé)接收和存儲成型工件的三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是沿模型高度方向提取的一系列截面輪廓。原材料存儲與運送部件將把存儲在其中的原材料（底面涂有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作臺上方。

（3）激光切割器將沿著工件截面輪廓線對薄膜進行切割，可升降的工作臺能支撐成型的工件，并在每層成型之后降低一個材料厚度以便送進將要進行粘合和切割的新一層材料，最后熱粘壓部件將會一層一層地把成型區(qū)域的薄膜粘合在一起，就這樣重復(fù)上述的步驟直到工件完全成型。

2、立體光固化成型工藝（SLA），是目前世界上研究最為深入、技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)。SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對液態(tài)的光敏樹脂進行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動的方式制造出精度極高的幾何立體模型。如圖所示為SLA技術(shù)的基本原理：

（1）液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。

（2）當(dāng)一層樹脂固化完畢后，工作臺將下移一個層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進行下一層的激光掃描固化。因為液態(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動性較差，在每層固化之后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平，這樣將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液態(tài)樹脂將會均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。

（3）新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直至整個工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個完整的立體模型。

3、選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描照射而實現(xiàn)材料的燒結(jié)粘合，就這樣材料層層堆積實現(xiàn)成型，如圖所示為SLS的成型原理：

（1）先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表面，數(shù)控系統(tǒng)操控激光束按照該層截面輪廓在粉層上進行掃描照射而使粉末的溫度升至熔化點，從而進行燒結(jié)并于下面已成型的部分實現(xiàn)粘合。

（2）當(dāng)一層截面燒結(jié)完后工作臺將下降一個層厚，這時壓輥又會均勻地在上面鋪上一層粉末并開始新一層截面的燒結(jié)，如此反復(fù)操作直接工件完全成型。

（3）在成型的過程中，未經(jīng)燒結(jié)的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成型的工件不需要像SLA成型的工件那樣需要支撐結(jié)構(gòu)。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要有石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。

（4）當(dāng)工件完全成型并完全冷卻后，工作臺將上升至原來的高度，此時需要把工件取出使用刷子或壓縮空氣把模型表層的粉末去掉。

4、熔融沉積成型工藝（FDM）將絲狀的熱熔性材料進行加熱融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來，熔融的絲材被擠出后隨即會和前一層材料粘合在一起。一層材料沉積后工作臺將按預(yù)定的增量下降一個厚度，然后重復(fù)以上的步驟直到工件完全成型。FDM的詳細技術(shù)原理：

（1）熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由步進電機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，絲材在主動輥與從動輥的摩擦力作用下向擠出機噴頭送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料制成以便絲材能夠順利準確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔。

（2）噴頭的上方有電阻絲式加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態(tài)，然后通過擠出機把材料擠壓到工作臺上，材料冷卻后便形形成了工件的截面輪廓。

5、三維印刷工藝（3DP），工作原理類似于噴墨打印機，與SLS工藝也有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結(jié)粘合在一起的，而是通過噴頭噴射粘合劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成型的，如圖所示為3DP的技術(shù)原理：

首先設(shè)備會把工作槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態(tài)粘合劑（如硅膠）噴射在預(yù)先粉層上的指定區(qū)域中，此后不斷重復(fù)上述步驟直到工件完全成型后除去模型上多余的粉末材料即可。3DP技術(shù)成型速度非?？?，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。

6、PolyJet技術(shù)也是當(dāng)前最為先進的3D打印技術(shù)之一，與3DP有點類似，不過噴射的不是粘合劑而是聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：

（1）PolyJet的噴射打印頭沿X軸方向來回運動，工作原理與噴墨打印機十分類似，不同的是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合物。當(dāng)光敏聚合材料被噴射到工作臺上后，UV紫外光燈將沿著噴頭工作的方向發(fā)射出UV紫外光對光敏聚合材料進行固化。

（2）完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化。就這樣一層接一層，直到整個工件打印制作完成。

四、3D打印優(yōu)勢與缺陷

1、 優(yōu)勢：

如前所述，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造過程中去除大量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，因此，在生產(chǎn)上可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計檢查、裝配檢驗和快速反求工程等。

另外在材料合成上，與傳統(tǒng)相比，3D打印將獲得更高的靈活性和有效性。這是未來3D打印發(fā)展的新領(lǐng)域。

3D打印：

傳統(tǒng)：

3D打印的共同目標(biāo)是實現(xiàn)從一臺機器中打印出各種復(fù)合材料，一次性為項目實現(xiàn)多重制造屬性。然而，細觀結(jié)構(gòu)材料技術(shù)允許我們獲得更多單一材料之外的利用價值。相比較于對不同的性能便要依賴不一樣的材料，設(shè)計師可以利用細觀結(jié)構(gòu)材料技術(shù)來創(chuàng)造一種擁有各種所需的性能特點的物體。

2、缺陷

（1）3D產(chǎn)品難以批量復(fù)制。3D在個性化乃至小規(guī)模生產(chǎn)中獨具特色，但是在批量生產(chǎn)方面無法實現(xiàn)。

（2）制作過程相對復(fù)雜，尤其是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，需要各種結(jié)構(gòu)信息的采集，打印設(shè)備的矯正。

（3）材料的突破。3D打印可以應(yīng)用到很多場景，但是材料和打印工藝、技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相比沒有優(yōu)勢，這些需要產(chǎn)業(yè)界更好的協(xié)作推進。

（4）成本較高，不可復(fù)制性也是成本提升的重要原因之一。技術(shù)標(biāo)準、政策體系不夠完善，教育和培訓(xùn)制度急需加強，專業(yè)人才比較缺乏。

（5）實用性不強，對于一些產(chǎn)品往往只能打印外殼或者樣機，無法像原型樣機那樣具有產(chǎn)品的全部功能。

作為快速成型機，3D是用于完成各類制造工程中等級最低的共通部分。這導(dǎo)致的結(jié)果是，這些機器可以做很多事，但做得好的卻極少。這不是因為材料特殊或控制太先進復(fù)雜而造成的困境。而真正制約3D打印技術(shù)創(chuàng)新的是我們看待這些技術(shù)的方式：只把它看作單一的部件制造，而缺乏系統(tǒng)性。

五、市場分析

美國消費者技術(shù)協(xié)會(CTA)與聯(lián)合包裹服務(wù)(UPS)近日聯(lián)合發(fā)布名為《3D打印：工業(yè)生產(chǎn)下一場革命》的報告，預(yù)測未來4年這個市場營收將增長2倍達到210億美元。去年，3D打印市場價值增長了30%。

3D打印行業(yè)今年市場價值將達到73億美元，包括打印機器、材料以及打印服務(wù)等。到2020年，這個行業(yè)的價值有望達到210億美元。其中，消費電子與汽車行業(yè)將推動3D打印行業(yè)增長40%，醫(yī)療設(shè)備則推動其增長15%。舉例來說，全球98%的助聽器正使用3D打印技術(shù)制造。

報告中稱，目前2/3的制造商已經(jīng)在某種程度上使用3D打印技術(shù)，25%的制造商計劃將來采用這種技術(shù)。企業(yè)采用3D打印技術(shù)的最大原因包括：制作原型(占比25%)、產(chǎn)品開發(fā)(占比16%)以及創(chuàng)新(占比11%)。

早期采用3D打印技術(shù)的企業(yè)主要利用其制作產(chǎn)品原型。事實上，3D打印僅占全球制造業(yè)市場的0.04%，而且制作原型是最常見使用方式。研究公司W(wǎng)ohlers Associates認為，3D打印技術(shù)最終將占全球制造業(yè)市場的5%，即其代表6400億美元的巨大機遇。

六、展望

從應(yīng)用的角度看，過去十年里，涉及到3D打印的專利申請數(shù)量已飆升超過800％，而專利授權(quán)數(shù)量也大幅上升。目前3D打印僅占全球制造業(yè)市場的0.04%，與十萬億美元級別的制造市場相比，差距明顯。

不過，與高效率的大規(guī)模標(biāo)準化生產(chǎn)相比，3D打印有其本身的優(yōu)勢，它可以實現(xiàn)定制化甚至以相同的成本來生產(chǎn)個性化的產(chǎn)品，帶給消費者更多的個人價值（不會因為產(chǎn)品規(guī)模化而價格下降）。在定制化、個性化以及形狀復(fù)雜化領(lǐng)域包括大規(guī)模生產(chǎn)沒有利潤空間的產(chǎn)品領(lǐng)域，3D打印可以大顯身手。未來，3D打印可以在時裝、航空航天、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品等定制化需求強盛的領(lǐng)域創(chuàng)造強大的產(chǎn)品類目。

從長遠角度看，3D打印將為我們帶來分散式的生產(chǎn)工具，分散式的社會化大協(xié)作將再次成為主題，未來展現(xiàn)在我們面前的是個性化與社會化創(chuàng)造的時代。3D打印將創(chuàng)建一個全新的功能強大的產(chǎn)品類別，以消除對復(fù)雜的供應(yīng)鏈和過度浪費的依賴，同時分散生產(chǎn)，財富和知識的潛力。3D打印可以幫助建立一個以生產(chǎn)和消費緊密結(jié)合為特征的分散的，自力更生的經(jīng)濟體。

（來源：中國有色網(wǎng)  作者：叮咚）