3d打印技术

3D打印技术方法研究以及发展趋势引言

在科学技术飞快发展的今天，打印技术随处可见，如今，一种新型的打印技术，或者说一种快速成型技术逐渐进入人们的视野——3D打印。3D打印作为一种降低工件制作难度的技术被人们所推崇。在1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机开始，3D打印就开始登上历史舞台。九十年代的好莱坞电影开始出现以3D打印为灵感的故事情节，并且为了满足人类这种“上帝”思想，科研人员开始了3D打印技术的开发与研究。近20年来，3D打印技术取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被大量使用。随着工艺、材料和装备的日益成熟，3D打印技术的应用范围不断扩大，从制造设备向生活产品发展。本文首先介绍了3D打印的概念原理与产生发展，然后说明了3D打印所使用的技术，最后对3D打印的未来做出阐述并选出比较新颖的案例，对3D打印做出比较全面的介绍。

一、3D打印技术概念原理

1、概念

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

2、一般原理及过程

三维CAD模型设计

先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。

CAD模型的近似处理

用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来大致模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

对STL文件的切片处理

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems' ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到500个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可

以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

完成

目前3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的3D打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

二、3D打印技术的产生与发展

1、产生

长久以来科学家和技术工作者一直有着一个复制技术的设想，但直到20世纪80年代，3D 打印的概念才算真正开始实现。1982年，首次公开实现实体模型印制的是日本名古屋市工业研究所。然而，最常被冠以发明“现代”3D打印机的人是查尔斯·W·赫尔（Chuck Hull），1984年，他定义了专利术语Stereolithography“立体光刻造型技术”（系统通过创建多个截面的方式生成三维物体对象）。

2、发展历史

1984年 - 查尔斯·赫尔发明将数字资源打印成三维立体模型的技术。

1986年 - 立体光敏成型

1986年 - 查尔斯·赫尔命名他发明的技术叫立体光敏成型技术，并以此获得了专利。1986年–查尔斯·赫尔成立3D Systems公司，并开发了第一个商用3D打印机，它被称为立体光敏成型设备。1988年 - 3D系统开发SLA-250型商业打印机，这是第一个面向公众的打印机版本。

1988年 - 斯科特·克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）。

1989年 - 斯科特·克伦普成立了Stratasys公司。

1991 - Helisys售出第一台叠层法快速成型（LOM）系统。

1992 - Stratasys公司售出首台基于FDM技术的“三维建模”机器。

1992年 - DTM售出首台选择性激光烧结（SLS）系统。

1993年 - Solidscape成立，它生产能打印表面光滑的小型零件的喷墨打印机机，但打印速度相对较慢。1993 - 麻省理工学院（MIT）获得“三维打印技术”专利。是类似于已在二维打印机中运用的喷墨打印技术。

1995年 - Z Corporation获得麻省理工学院独家授权，并开始开发基于3DP技术的打印机。1996 - Stratasys公司推出“Genisys”。

1996年 - Z Corporation推出的“Z402”。

1996年 - 3D Systems公司推出“ACTUA 2100”。“3D打印机”最早是用来表示所有的快速成型机。

1997年– EOS将它的立体光敏成型业务出售给3-D Systems，但EOS仍然是欧洲最大的生产商。

图1 查尔斯?赫尔与世界上第一台商用3D打印机

2005年– Z Corp.推出的Spectrum Z510。这是市场上第一台高清彩色三维打印机。2006年 - 一个名叫Reprap的开源项目启动 - 其目的是开发一种能自我复制的3D打印机。您可以在GNU通用公共许可证的条款下任意改装和/或改造它。

2008年–第一个基于Reprap的3D打印机面世。它可以打印自身所需部件中的约50%。2008 - Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500?快速成型系统，它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机。

2010 年11月–Urbee是第一台3D成型轿车。它是史上第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车。所有外部组件也由3D打印制作完成，包括用Dimension 3D打印机和由Stratasys公司数字生产服务项目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系统制作完成的玻璃面板。

2010年12月8日–Organovo公司，一个注重生物打印技术的再生医学研究公司，公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据资源。

2011年1月 - 美国康奈尔大学的研究人员开始建立3D食物打印机。

2011年1月 - 荷兰3D打印机制造商Ultimaker 将打印速度提升到300毫米/秒，喷头移动速度达到350毫米/秒。

2011年6月- Shapeways和Continuum Fashion时尚公司发布了第一款3D打印的比基尼泳装。

2011年7月–在英国埃克塞特大学领导下的布鲁内尔大学研究组及应用程序开发商Delcam公司的研究人员展示了世界上第一台巧克力3D打印机。

2011年8月 - 世界上第一架3D打印飞机由英国南安普敦大学的工程师创建完成。

2011年9月 - 维也纳科技大学开发了更小，更轻，更便宜的3D打印机。这个超小3D打印

机的总重量为1.5公斤，报价约1200欧元。

2011年10月– Roland DG Corporation公司推出了新的iModela IM-01。

2012年1月- Stratasys宣布与Objet合并。

2012年3月 - 美国总统奥巴马提出投资10亿美元在全美建立15家制造业创新研究所。2012年3月 - 维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术（two-photon lithography）突破了3D打印的最小极限，展示了一辆不到0.3mm的赛车模型。

2012年4月 - 经济学人发表专题文章，称3D打印将是第三次工业革命。

2012年5月 - 3D Systems推出世界首款开箱即用3D打印机 Cube。

2012年7月- 比利时的International University College Leuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车。车速达到了140千米／小时。

2012年8月 - 美国政府宣布首个3D打印研究所将建在俄亥俄州。

2012年9月- Makerbot推出收款非开源桌面3D打印机Replicator 2，售价约为2400美元。2012年10月 - Shapeways在纽约开设第一家实体店。

2012年11月 - 苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2012年11月 - 中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型的国家。

2012年12月 - 美国分布式防御组织成功测试3D打印的枪支弹夹。

图2 3D打印枪械

2012年12月 - Stratasys宣布最大的喷墨3D打印机Objet 1000，能打1米x0.8X0.5大小的物件。

2013年10月 - 全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

2013年11月 - 美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(Solid Concepts)设计制造出3D打印金属手枪。

三、3D打印方法

下面详细介绍选择性激光烧结技术的原理、方法及优缺点。

选择性激光烧结（SLS）

选择性激光烧结加工过程是采用铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必像SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属，以及一些发展中的材料等。当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末快速上升至初始位置，将其取出，放置在后处理工作台上，用刷子刷去表面粉末，露出加工件，其余残留的粉末可用压缩空气去除。

SLS的优点

1. 可采用多种材料。从原理上来说，这种方法可采用加热时年度降低的任何粉末材料，通过材料或者各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。

2. 制造工艺比较简单。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同，可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。

3. 高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能达到工件整体范围内±（0.05--2.5）mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±1%。

4. 无需支撑结构。和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。

5. 材料利用率高。由于该工艺过程不需要支撑结构，也不像LOM工艺那样出现许多废料，也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速成型工艺中，材料利用率是最高的，可以认为是100%。SLS工艺中使用的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。

6. 生产周期短。从CAD设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于新产品的开发。

7. 与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能，为传统制造方法注入新的活力。

8. 应用面广。由于成型材料的多样化，使得SLS工艺适合于多种应用领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等

图3选择性激光烧结工艺过程示意图

SLS的缺点

1. 表面粗糙。由于SLS工艺的原料是粉末状的，原型的建造是由材料粉层经加热熔化而实现逐层粘结的，因此，严格的来说，原型的表面是粉粒状的，因而表面质量不高。 SLS工艺中的粉末粘结是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，烧结过程中挥发异味。

2. 高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要会发异味气体。

3. 有时需要比较复杂的辅助工艺。SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程，例如给原材料进行长时间的预先加热、造型完成后需要给模型进行表面浮粉的清理等。

4. 做小件或者精件时，精度不如SLA。

SLS发展趋势与前景

SLS工艺的应用几十年来，SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，为许多传统制造业注入了新的生命力和创造力。随着SLS技术的发展，新工艺、新材料的不断出现，势必会对未来的实际零件制造产生重大影响，对制造业产生巨大的推动作用。

四、3D打印面临的问题

材料的限制

虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到

的各种各样的材料。

研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。

机器的限制

3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。

知识产权的忧虑

在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术也会涉及到这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是我们面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。

道德的挑战

道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的，如果有人打印出生物器官和活体组织，在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

花费的承担

3D打印技术需要承担的花费是高昂的。第一台3D打印机的售价为1万5。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。

五、打印案例

1. 人工耳软骨支架

清华大学与中国医学科学院北京整形医院合作，利用熔融沉积制造工艺加工用于治疗耳畸形的耳软骨支架。材料采用生物相容且不降解的聚氨酯，植入后的效果良好，与认得健侧耳朵形状完全一致。

图4 人工耳软骨支架报道（光明日报）

2. 耐克Vapor Laser Talon Boot

著名运动品牌耐克公司就设计出了一款3D打印的足球鞋。这双3D打印的耐克鞋名为Vapor Laser Talon Boot（蒸汽激光爪），整个鞋底都是采用3D打印技术制造。不仅看外观看起来很炫，官方称该跑鞋还拥有优异的性能，能提升足球运动员在前40米的冲刺能力。这双3D打印足球鞋基板采用了选择性激光烧结技术，通过一个大功率激光器有选择地将保险丝塑料性颗粒烧结成而成。该技术能使鞋子减轻自身重量并缩短了制作过程，重量仅为158.8克（约5.6盎司），减轻了球员的脚步重量。

图5 NIKE Vapor Laser Talon Boot

六、3D打印未来畅想

3D打印在社会生活中逐渐起到重要的作用。不仅仅在生活中，在航空航天领域也开辟了新的征程，使用3D打印技术制造火箭零件也不是难事，NASA正在研究用3D打印技术制造出更方便廉价的火箭关键部位，据NASA预测，打印出的零件最快2017年就可以上天。在汽车工业、消费品、商业机器、医疗、学术研究、国防等方面，3D打印的还用也变得普遍起来。

图6 3D打印在各个领域的使用情况

美国《时代周刊》公布了2012年最佳发明，一款体积小巧的3D打印机名列其中。2011年，全世界就已经有接近2.4万人拥有家用3D打印机了。如同前人无法预料1450年的印刷术、1750年的蒸汽机，还有1950年的半导体对人类进步所带来的影响一样，作为第三次产业革命的成果，我们也无法预料3D打印对我们的长远影响。 3D打印未来发展是一种必然，一味停留在工业级别发展总是有限度的；3D打印还有很多问题，比如耗材、设备价格、安全性、专利等问题都是前进道路上已经看到的障碍，但3D打印的发展和取得的成绩我们同样需要客观评价，科技改变生活为何不是一种好事呢？

参考文献：

[1] 赵云龙先进制造工艺，西安电子科技大学出版社，2006

[2] 王秀峰，罗宏杰快速原型制造技术[M]，中国轻工业出版社，2001.

[3] 云虹，郭毕佳快速成型技术的典型方法比较[J ]，武汉纺织工学院学报，19960206.

[4]中国机械工程学会 3D打印：打印未来，中国科学技术出版社，2013

[5]王运赣，王宣三维打印技术（3D Printing），华中科技大学出版社，2013

[6]“打印”器官，光明日报，20110111