3D打印技术初解

　　工控摘要：3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
　　
　　该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
　　
　　“分层制造、逐层叠加”是3D打印核心原理。从加工原理看，传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等减材制造基本工艺的组合；而3D打印技术是一体成型技术，主要采用“分层制造、逐层叠加”流程。从应用领域看，传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件，并广泛应用在几乎所有领域；目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件，大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等。从使用材料看，传统机加工可以使用几乎任何材料；3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料，受制较多。3D打印技术优点在于材料利用率超过95%以上，几乎不产生废料，且适用于复杂结构体等。
　　
　　通过结合工业数字化和自动化等技术，3D打印呈现三个明显的技术优势：较高的制造自由度、数字化作业流程和较高的原料利用率。当然，3D打印技术本身也存在很多不足，如批量生产能力弱、加工精度尚不足以与传统制造工艺媲美、设备和材料成本偏高等。
　　
　　前3D打印技术繁多。技术区别主要在于“叠层”方式和使用材料不同，一些技术通过熔化或软化材料进行叠层，如选择性激光熔化（SLM）技术或直接金属激光烧结（DMLS）技术、选择性激光烧结（SLS）技术和熔融沉积成型（FDM）技术等；另外一些技术通过处理液态材料等成型，如光固化（SLA）技术；激光分层制造（LOM）则将薄层材料（如纸、金属薄片等）剪裁压叠成型。每一种技术都有优缺点，选择技术主要考虑因素包括加工速度、打印机成本、材料选择和色彩等。
　　
　　光固化（SLA，StereolithographyAppearance）以光敏树脂的聚合反应为基础。紫外激光在计算机控制下，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，zui终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个原型制造完毕。
　　
　　SLA是zui早实用化的3D打印技术。关于SLA历史，zui早可追溯到1956年，当时JohnMunz披露了用光感材料加工三维复制品的。随后在20世纪60年代，杜邦公司获得了一系列关于光敏聚合物和紫外光照射生成固体印刷版的；CharlesWHull1986年获取了SLA，成立了3DSystems公司，并于1988年推出了SLA的商业化样机SLA-1。
　　
　　除3DSystems的SLA系列外，其他的SLA产品还包括日本CMET的SOUP系列、D-MEC(JSR/Sony)的SCS系列、TeijinSeiki的Solidform(杜邦技术)、德国EOS的STEREOS、Fockele&Schwarze的LMS和法国Laser3D的SPL等。
　　
　　SLA能实现较高精度。SLA工艺的特点是，能够呈现较高的精度和较好的表面质量，并能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件，适用于浇铸模具等领域。但是，SLA缺点也很明显：1）光敏树脂材料有毒，需要配通风系统及防护手套等，并不适用于家庭和学校；2）强度、刚度、耐热性有限，难以用作耐久性、耐热性等功能测试，也不易长期保存。
　　
　　材料喷射（Polyjet）较SLA更具优势。PolyJet和SLA因原料属性相似而应用重合度较高，但PolyJet设备使用的支撑材料可能高压水枪去除，因此易用性更好；而且，PolyJet设备可同时喷射两种或多种不同材料，从而在制造中实现两种或多种材料的结合，颇具实用优势。
　　
　　熔融沉积造型（FDM，FusedDepositionModeling）技术实现相对容易。FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，呈现半流体性质，在计算机控制下，沿CAD确定的二维几何信息运动轨跡，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。
　　
　　FDM是应用zui广泛的3D打印技术。目前很多消费级3D打印机都采用这种工艺，Stratasys是FDM的鼻祖，由ScottCrump于1988年开发，并于1993年开发了*台FDM商业化设备，1998年又推出了明星产品FDM-Quantum机型，zui大成型体积达600x500x600mm，并同时有2个挤出头。经过十多年的发展，2008年FDM设备就占据了44%的快速成型市场。
　　
　　FDM使用材料广泛。相比于SLA技术，FDM在材料适应性上更加灵活，其可使用的原料包括热塑塑料ABS、ABSi、聚苯砜PPSF、聚碳酸酯PC、聚醚酰亚胺Ultem9085等。
　　
　　同时，FDM技术提供的准确性也优于SLA和PolyJet技术。但是缺点在于Z轴方向强度较低，不适合构建大型零件。目前，采用FDM技术的公司主要有Stratasys和MedModeler等，其中Stratasys继推出FDM-1650机型后，又先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000等系列机型。
　　
　　FDM技术应用广泛。FDM已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装备检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。