摘 要：3D 打印（3D Printing）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一股迅猛发展的潮流。本文先解释了3D打印的概念，然后分析了3D打印的原理，总结了几种典型的3D打印的技术，介绍了3D打印在生物组织中的应用，最后分析了3D打印技术未来的发展趋势。 关键词： 3D打印 3D打印原理 3D打印技术 3D打印应用
1.引言
“3D打印”学术名称为“快速原型制造”。3D打印技术最早起源可以追溯到1984年，3D打印技术的创始人查尔斯·W·赫尔就定义了专利术语“Stereolithography”即“立体光刻造型技术”。通俗的说法就是“系统通过创建多个截面的方式生成三维物体对象”。只不过在最近才因为材料、工艺、成本等原因被从行业边缘拉回了主流市场。自美国Stratasys公司于1992[1]首台商用3D打印机问世以来，该技术的发展之快令世界始料未及。目前，3D打印(3D Printing)技术作为快速成型领域的新宠，正成为一种迅猛发展的潮流。
3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造(AM，Additive Manufacturing)。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位彩的彩打印[2-5]。
与传统技术相比，3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而大幅缩短生产周期、提高生产效率。目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间[6-7]。
2.3D打印原理
3D打印技术与激光成型技术基本上是一样的。其基本原理是根据“分层制造、逐层叠加”的制造思想[8]。首先收集到相关对象的三维结构信息，将数据建模，即运用计算机设计出所需零件的三维模型，然后再根据工艺需求，按照一定规律将该模型离散为一系列有序的单位，如图1所示，通常在z向将其按照一定的厚度进行离散，把原来的j维CAD模型变成一系列的层片；，即一系列的二维层面数据；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，然后系统后自动生成数控代码。最后由成型一系列层片并自动将它们连接起来，最后得到一个三维物理实体[9-10]。
图1 3D模型切片
其具体的工艺流程一般可分为三维建模、数据分割、打印、后处理四步(如图2所示)。
图2 3D打印工艺流程
1．三维建模
三维建模是3D打印的基础，即在打印之前需在三维软件中对所制作产品进行建模，因此3D打印需计算机辅助设计(CAD)技术的参与。建模过程可使用AutoCAD、Pro-e、Solidworks等主流软件完成，需注意的是在整个建模过程中产品尺寸要准确无误，打印机是严格根据这些数据来控制产品最终外形的。
2．数据分割
在三维建模完成后，打印机将三维数据分割为二维数据，即把整个三维模型沿水平面“切割”
成一定数量的二维薄片，对应每一个薄片生成其平面尺寸数据。此过程是在打印机内部完成的，切成薄片的数量是由制作材料及打印机自身决定的，理论上讲，分割的层数越多(薄片数量越多)，将来打印出的产品尺寸也就越接近于原始设计数据。
3．打印
打印时可看到喷嘴中喷出的材料形成的二维图形，过程类似于喷墨打印机，所不同的是喷墨打印机逐行喷绘完整个图案时即结束工作，而3D打印机在完成了第一层喷绘后会在其基础上进行第二层喷绘，数据分割流程中产生了多少薄片就进行相应数量层数的喷绘。由此可见，3D打印实际是利用材料自身厚度经逐层堆积后形成三维产品的，各层之间的结合一般是靠喷嘴中喷出的胶水来粘接，固打印时可看到喷一层材料粉末，再喷一层胶水的工艺过程。
4．后处理
打印好的三维产品要经过后处理才能出厂或使用，后处理工艺一般包括剥离、固化、修整、上等。此类设备在运行时会先在产品底部喷出一定高度的底座来，然后在此基础上打印正式产品，这样做的好处是可避免因底部与工作台直接接触在剥离时而造成的损坏，因此当打
印好后只需将此底座整个拿下并仔细与产品剥离即可。对于使用树脂等材料加工的产品还需进行光固化，固化后在经一定得细节修整和上等工艺就可以完成整个打印过程[2]。
3.3D打印技术
目前，3 D打印技术已经拥有了许多不同的方法，其中比较成熟的有S L A、S L S、L O M和F D M等方法。每种方法都有各自的优缺点，其不同之处在于以可用的材料的方式，通过不同层构建创建部件。
1、SLA技术
SLA（光固化快速成型，“Stereo lithography Appearance）是1984年Charles W．Hull在UVP公司的支持下，发明了一种“光固化成型”系统，是以光固化树脂单体为原料，采用紫外光辐射快速固化进行成型，这是快速成型制造技术发展的一个里程碑[11]。SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光
敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着处理即得到要求的产品。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
2、SLS技术
SLS (挑选性激光烧结技术，Selective Laser Sintering)是系1986由C．Deckard提出了，并于1992年开发成功商业样机[1]。采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层，层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉
末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用广泛。
3、LOM技术
LOM（分层实体制造法，Laminated Object Manufacturing又称层叠法成形，是由M．Feygin提出，并于1990年开发的一种快速成型方法[12]。它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶
的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。LOM技术的优点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。成形材料主要是涂敷有热敏胶的纤维纸；制件性能相当于高级木材；主要用途是快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
4、FDM技术
FDM（熔积成型，Fused Deposition Modeling）是1988年由Scott Crump在提出了，并于1992年开发成功了样机。熔丝沉积成型工艺是将丝状材料加热熔化，然后挤出成形[13]。该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。其优点是：成型直接，材料利用率高；其缺点
是：表面粗糙度高，需要设置支撑。由于该技术污染小，材料可以回收，已用于中、小型工件的成形。成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能相当于工程塑料或蜡模；主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型[5]。
4.3D打印的应用
近年来，3D打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位。具体应用领域包括：工业制造。可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证。制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品：3D打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中；文化创意和数码娱乐：可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平；航空航天、国防军工：可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造；生物医疗：可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作；消费品：可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造；建筑工程：可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工(AEC)模拟；
教育：可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研；个性化定制：可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务[7]。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议