3D打印技術概念

3D打印技術概念1.1 3D打印技術簡介1.2 3D打印技術的工作原理1.3 3D打印技術的全過程1.4 3D打印機的主流機型1.5 3D打印技術的應用與發(fā)展【1.1.1】 3D打印技術的概念

機械制造技術大致分為如下三種方式:(1)減材制造:一般是用刀具進行切削加工或采用電化學方法去除毛坯中不需要的材料，剩下的部分即是所需加工的零件或產(chǎn)品。(2)等材制造:利用模具成形，將液體或固體材料變?yōu)樗杞Y構的零件或產(chǎn)品。鑄造、鍛壓等均屬于此種方式。減材制造與等材制造均屬于傳統(tǒng)的制造方法。(3)增材制造:也稱3D打印，是近20年發(fā)展起來的先進制造技術，它無需刀具及模具，是用材料逐層累積疊加制造所需實體的方法。 3D打印(ThreeDimensionalPrinting，3DP)技術在學術上又稱為“添加制造”(AdditiveMan-ufacturing，AM)技術，也稱為增材制造或增量制造。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)2009年成立的3D打印技術委員會(F42委員會)公布的定義，3D打印技術是一種與傳統(tǒng)材料加工方法截然相反的，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)并通過增加材料逐層制造的方式，是一種直接制造與數(shù)字模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。3D打印技術內(nèi)容涵蓋了與產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”(RapidPrototyping，RP)和全生產(chǎn)周期的“快速制造”(RapidManufacturing，RM)相關的所有工藝、技術、設備類別及應用。3D打印技術在20世紀80年代后期起源于美國，是最近20多年來世界制造技術領域的一次重大突破。它能將已具數(shù)學幾何模型的設計迅速、自動地物化為具有一定結構和功能的原型或零件。1.13D打印技術簡介 3D打印技術在20世紀80年代后期起源于美國，是最近20多年來世界制造技術領域的一次重大突破。它能將已具數(shù)學幾何模型的設計迅速、自動地物化為具有一定結構和功能的原型或零件。

分層制造技術(LayeredManufacturingTechnique，LMT)、實體自由制造(SolidFreeformFabrica-tion，SEF)、直接CAD制造(DirectCADManufacturing，DCM)、桌面制造(DesktopManufactur-ing，DTM)、即時制造(InstantManufacturing，IM)與3D打印技術具有相似的內(nèi)涵。3D打印技術獲得零件的途徑不同于傳統(tǒng)的材料去除或材料變形方法，而是在計算機控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造。從成形角度看，零件可視為由點、線或面疊加而成。3D打印就是從CAD模型中離散得到點、面的幾何信息，再與成形工藝參數(shù)信息結合，控制材料有規(guī)律、精確地由點到面，由面到體地堆積出所需零件。從制造角度看，3D打印根據(jù)CAD造型生成零件的三維幾何信息，轉(zhuǎn)化為相應的指令后傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，通過激光束或其他方法使材料逐層堆積而形成原型或零件，無需經(jīng)過模具設計制作環(huán)節(jié)，極大地提高了生產(chǎn)效率，大大降低了生產(chǎn)成本，特別是極大地縮短了生產(chǎn)周期，被譽為制造業(yè)中的一次革命。

3D打印技術集中體現(xiàn)了CAD、建模、測量、接口軟件、CAM、精密機械、CNC數(shù)控、激光、新材料和精密伺服驅(qū)動等先進技術的精粹，采用了全新的疊加成形法，與傳統(tǒng)的去除成形法有本質(zhì)的區(qū)別。3D打印技術是多種學科集成發(fā)展的產(chǎn)物。1.13D打印技術簡介 3D打印不需要刀具和模具，利用三維CAD模型在一臺設備上可快速而精確地制造出結構復雜的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決傳統(tǒng)制造工藝難以加工或無法加工的局限性，并大大縮短了加工周期，而且越是結構復雜的產(chǎn)品，其制造局限性的改善越明顯。近20年來，3D打印技術取得了快速發(fā)展。3D打印制造原理結合不同的材料和實現(xiàn)工藝，形成了多種類型的3D打印制造技術及設備，目前全世界3D打印設備已多達幾十種。3D打印制造技術在消費電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、建筑及藝術設計等領域已被大量應用。1.13D打印技術簡介【1.1.2】 3D打印技術的發(fā)展史 3D打印技術的發(fā)展起源可追溯至20世紀70年代末到80年代初期，美國3M公司的AlanHebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的CharlesHull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)四人各自獨立提出了3D打印的概念。1986年，CharlesHull率先提出了光固化成形(StereoLithographyApparatus，SLA)，這是3D打印技術發(fā)展的一個里程碑。同年，他創(chuàng)立了世界上第一家3D打印設備的3DSystems公司。該公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺3D打印機SLA250。1988年，美國人ScottCrump發(fā)明了另外一種3D打印技術———熔融沉積成形(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)，并成立了Stratasys公司?，F(xiàn)在根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)2009年成立的3D打印技術委員會(F42委員會)公布的定義，該種成形工藝已重新命名為熔絲制造成形(FusedFilamentFabrication，F(xiàn)FF)。1989年，C.R.Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結成形(SelectiveLaserSintering，SLS)。1993年麻省理工大學教授EmanualSa-chs發(fā)明了一種全新的3D打印技術(ThreeDimensionalPrinting，3DP)。這種技術類似于噴墨打印機，通過向塑料、金屬、陶瓷等粉末及砂子噴射黏結劑的方式將材料逐片成形，然后進行燒結制成最終產(chǎn)品。這種技術的優(yōu)點在于制作速度快，價格低廉。隨后，ZCorporation獲得了麻省理工大學的許可，利用該技術來生產(chǎn)3D打印機，“3D打印機”的稱謂由此而來。此后，以色列人HananGothait于1998年創(chuàng)辦了ObjetGeometries公司，并于2000年在北美推出了可用于辦公室環(huán)境的商品化3D打印機。1.13D打印技術簡介

近年來，3D打印有了快速的發(fā)展。2005年，ZCorporation發(fā)布SpectrumZ510，這是世界上第一臺高精度彩色添加制造機。同年，英國巴恩大學的AdrianBowyer發(fā)起開源3D打印機項目RepRap，該項目的目標是做出“自我復制機”，通過添加制造機本身，能夠制造出另一臺添加制造機。2008年，第一版RepRap發(fā)布，代號為“Darwin”，它的體積僅一個箱子大小，能夠打印自身元件的50%。2008年，美國舊金山一家公司通過添加制造技術首次為客戶定制出了假肢的全部部件。2009年，美國Organovo公司首次使用添加制造技術制造出人造血管。2011年，英國南安普敦大學工程師打印出了世界首架無人駕駛飛機，造價5000英鎊。2011年，KorEcologic公司推出世界上第一輛從表面到零部件都由3D打印機打印制造的車“Urbee”，Urbee在城市時速可達100英里(注:1英里≈1.609千米)，而在高速公路上則可飆升到200英里，汽油和甲醇都可以作為它的燃料。2011年，I.Materialis公司提供以14K金和純銀為原材料的3D打印服務。隨后還有新加坡的KINERGY公司、日本的KIRA公司、英國Renishaw等許多公司加入到了3D打印行業(yè)。1.13D打印技術簡介

國內(nèi)進行3D打印制造技術的研究比國外晚，始于20世紀90年代初，清華大學、華中科技大學、北京隆源自動成形有限公司及西安交通大學先后于1991—1993年間開始研發(fā)制造FDM、LOM、SLS及SLA等國產(chǎn)3D打印系統(tǒng)，隨后西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、中北大學、北方恒立科技有限公司、湖南華署公司、上海聯(lián)泰公司等單位迅速加入3D打印的研發(fā)行列之中，這些單位和企業(yè)在3D打印原理研究、成形設備開發(fā)、材料和工藝參數(shù)優(yōu)化研究等方面做了大量卓有成效的工作，有些單位開發(fā)的3D打印設備已接近或達到商品化機器的水平。

3D打印象征著個性化制造模式的出現(xiàn)，在這種模式下，人類將以新的方式合作來進行生產(chǎn)制造，制造過程與管理模式將發(fā)生深刻變革，現(xiàn)有制造業(yè)格局必將被打破。當前，我國制造業(yè)已經(jīng)將大批量、低成本制造的潛力發(fā)揮到極致，未來制造業(yè)的競爭焦點將會由創(chuàng)新所主導，3D打印技術就是滿足創(chuàng)新開發(fā)的有力工具，3D打印技術的應用普及程度將會在一定程度上表征一個國家的創(chuàng)新能力。1.13D打印技術簡介【1.1.3】 3D打印技術的特點和優(yōu)勢1.制造更快速、更高效 3D打印制造技術是制作精密復雜原型和零件的有效手段。2.技術高度集成 3D打印制造技術是CAD、數(shù)據(jù)采集與處理、材料工程、精密機電加工與CNC數(shù)字控制技術的綜合體現(xiàn)。3.堆積制造，自由成形

自由成形的含義有兩方面:其一是指可根據(jù)3D原型或零件的形狀，無需使用工具與模具而自由地成形;其二是指以“從下而上”的堆積方式實現(xiàn)非勻質(zhì)材料、功能梯度材料的器件更有優(yōu)勢，不受形狀復雜程度限制，能夠制造任意復雜形狀與結構、不同材料復合的3D原型或零件。4.制造過程高度柔性化

降維制造(分層制造)把三維結構的物體先分解成二維層狀結構，逐層累加形成三維物品。因此，原理上3D打印技術將任何復雜的結構形狀轉(zhuǎn)換成簡單的二維平面圖形，而且制造過程更柔性化。1.13D打印技術簡介5.直接制造組合件和可選材料的廣泛性

任何高性能難成形的拼合零部件均可通過3D打印方式一次性直接制造出來，不需要工模具通過組裝拼接等復雜過程來實現(xiàn)。3D打印制造技術可采用的材料十分廣泛，可采用樹脂、塑料、紙、石蠟、復合材料、金屬材料或者陶瓷材料的粉末、箔、絲、小塊體等，也可以是涂覆某種黏結劑的顆粒、板、薄膜等材料。6.廣泛的應用領域

除了制造3D原型以外，3D打印技術還特別適用于新產(chǎn)品的開發(fā)、快速單件及小批量零件的制造、不規(guī)則零件或復雜形狀零件的制造、模具及模型設計與制造、外形設計檢查、裝配檢驗、快速反求與復制，以及難加工材料的制造等。這項技術不僅在制造業(yè)的產(chǎn)品造型與模具設計領域，而且在材料科學與工程、工業(yè)設計、醫(yī)學科學、文化藝術、建筑工程、國防及航空航天等領域都有著廣闊的應用前景。

綜上所述3D打印技術具有的優(yōu)勢如下:(1)從設計和工程的角度出發(fā)，可以設計更加復雜的零件。(2)從制造角度出發(fā)，減少設計、加工、檢查的工序，可大大縮短新品進入市場的時間。(3)從市場和用戶角度出發(fā)，減少風險，可實時地根據(jù)市場需求低成本地改變產(chǎn)品。1.13D打印技術簡介 3D打印(ThreeDimensionalPrinting，3DP)技術是一種依據(jù)三維CAD設計數(shù)據(jù)，將所采用的離散材料(液體、粉末、絲材、片材、板或塊料等)自下而上逐層疊加制造所需實體的技術。自20世紀80年代以來，3D打印制造技術逐步發(fā)展，期間也被稱為材料增材制造(MaterialIncreaseManufacturing)、快速原型(RapidPrototyping)、分層制造(LayeredManufacturing)、實體自由制造(SolidFreeformFabrication)、3D噴印(3DPrinting)等。這些名稱各異，但其成形原理均相同。 3D打印技術集中了CAD、CAM、CNC、激光、新材料和精密伺服驅(qū)動等先進技術的精粹，采用了全新的疊加堆積成形法，與傳統(tǒng)的去除成形法有本質(zhì)的區(qū)別。 3D打印技術的基本原理是將所需成形工件的復雜三維形體用計算機軟件輔助設計技術(CAD)完成一系列數(shù)字切片處理，將三維實體模型分層切片，轉(zhuǎn)化為各層截面簡單的二維圖形輪廓，類似于高等數(shù)學中的微分過程;然后將切片得到的二維輪廓信息傳送到3D打印機中，由計算機根據(jù)這些二維輪廓信息控制激光器(或噴嘴)選擇性地切割片狀材料(或固化液態(tài)光敏樹脂，或燒結熱熔材料，或噴射熱熔材料及黏結劑等)，從而形成一系列具有一個微小厚度的片狀實體，再采用黏結、聚合、熔結、焊接或化學反應等手段使其逐層堆積疊加成為一體，制造出所設計的三維模型或樣件，這個過程類似于高等數(shù)學中的定積分模式。1.23D打印技術的工作原理

因此，3D打印的原理是三維?二維?三維的轉(zhuǎn)換過程。3D打印技術堆積疊層的基本原理過程如圖1-1所示。圖1-13D打印技術堆積疊層的基本原理過程圖1.23D打印技術的工作原理

圖1-2所示為花瓶的3D打印實例過程步驟。首先用計算機軟件建立花瓶的3D數(shù)字化模型圖(見圖1-2(a));并將該模型的三維圖形輸入到3D打印機中，然后用切片軟件將該立體模型分層切片，得到各層的二維片層輪廓(見圖1-2(b));之后在3D打印機工作臺平面上逐層選擇性地添加成形材料，并用激光成形頭將激光束(或用3D打印機的打印頭噴嘴噴射黏結劑、固化劑等)對花瓶的片層截面進行掃描，使被掃描的片層輪廓加熱或固化，制成一片片的固體截面層(見圖1-2(c));隨后工作臺沿高度方向移動一個片層厚度;接著在已固化薄片層上面再鋪設第二層成形材料，并對第二層材料進行掃描固化;與此同時，第二層材料還會自動與前一層材料黏結并固化在一起。如此繼續(xù)重復上述操作，通過連續(xù)順序打印并逐層黏結一層層的薄片材料，直到最后掃描固化完成花瓶的最高一層，就可打印出三維立體的花瓶制件(見圖1-2(d))。圖1-2請看下頁1.23D打印技術的工作原理圖1-23D打印三維→二維→三維的轉(zhuǎn)換實例1.23D打印技術的工作原理 3D打印技術的全過程可以歸納為前處理、打印成形、后處理三個步驟(見圖1-3)。圖1-33D打印技術的全過程1.33D打印技術的全過程1.前處理

前處理包括工件三維CAD模型文件的建立、三維模型文件的近似處理與切片處理、模型文件STL格式的轉(zhuǎn)化。2.打印成形

打印成形是3D打印技術的核心，包括逐層成形制件的二維截面薄片層以及將二維薄片層疊加成三維成形制件。3.后處理

后處理是對成形后的3D制件進行的修整，包括從成形制件上剝離支撐結構、成形制件的強化(如后固化、后燒結)和表面處理(如打磨、拋光、修補和表面強化)等。1.33D打印技術的全過程【1.3.1】工件三維CAD模型文件的建立

所有3D打印機(或稱快速成形機)都是在制件的三維CAD模型的基礎上進行3D打印成形的。建立三維CAD模型有以下兩種方法。1.用三維CAD軟件設計三維模型

用于構造模型的CAD軟件應有較強的三維造形功能，即要求其具有較強的實體造形和表面造形功能，后者對構造復雜的自由曲面有重要作用。三維造形軟件種類很多，包括UG、Pro/En-gineer、SolidWorks、3DMAX、MAYA等，其中3DMAX、MAYA在藝術品和文物復制等領域應用較多。

三維CAD軟件產(chǎn)生的輸出格式有多種，其中常見的有IGES、STEP、DXF、HPGL和STL等，STL格式是3D打印機最常用的格式。2.通過逆向工程建立三維模型

用三維掃描儀對已有工件實物進行掃描，可得到一系列離散點云數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)重構軟件處理這些點云，就能得到被掃描工件的三維模型，這個過程常稱為逆向工程或反求工程(ReverseEngineering)。

1.33D打印技術的全過程

在逆向工程中，由實物到CAD模型的數(shù)字化包括以下三個步驟(見圖1-4):(1)對三維實物進行數(shù)據(jù)采集，生成點云數(shù)據(jù)。(2)對點云數(shù)據(jù)進行處理(對數(shù)據(jù)進行濾波以去除噪聲或拼合等)。(3)采用曲面重構技術，對點云數(shù)據(jù)進行曲面擬合，借助三維CAD軟件生成三維CAD模型。圖1-4由實物到CAD模型的步驟1.33D打印技術的全過程【1.3.2】三維掃描儀

工業(yè)中常用的三維掃描儀有接觸式和非接觸式(激光掃描儀或面結構光掃描儀)。常用的三維掃描儀如圖1-5所示，其中，接觸式單點測量儀(見圖1-5(a))測量精度高，但價格貴，測量速度慢，而且不適合現(xiàn)場工況，僅適合高精度規(guī)則幾何體機械加工零件的室內(nèi)檢測;非接觸式掃描儀(見圖1-5(b)、(c))采用光電方法可對復雜曲面的三維形貌進行快速測量，其精度能滿足逆向工程的需要，而且對物體表面不會造成損傷，最適合文物和仿古現(xiàn)場的復制需要。非接觸式掃描儀中面結構光面掃描儀的速度比激光線掃描儀快，應用更廣泛。圖1-5常用三維掃描儀舉例

1.33D打印技術的全過程【1.3.3】 三維模型文件的近似處理與切片處理

建立三維CAD模型文件之后，還需要對模型進行近似處理或修復近似處理可能產(chǎn)生的缺陷，再對模型進行切片處理，才能獲得3D打印機所能接受的模型文件。1.三維模型文件的近似處理

由于工件的三維模型上往往有一些不規(guī)則的自由曲面，所以成形前必須對其進行近似處理。目前在3D打印中最常見的近似處理方法是將工件的三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL模型，即用一系列小三角形平面來逼近工件的自由曲面。選擇不同大小和數(shù)量的三角形就能得到不同曲面的近似精度。經(jīng)過上述近似處理的三維模型稱為STL模式，它由一系列相連的空間三角形面片組成(見圖1-8)。STL模型對應的文件稱為STL格式文件。典型的CAD軟件都有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的接口。圖1-6文物掃描復制圖例圖 1-7便攜式3D掃描儀

圖1-8STL格式模型

1.33D打印技術的全過程2.三維模型文件的切片處理 3D打印是按每一層截面輪廓來制作工件的，因此，成形前必須在三維模型上用切片軟件沿成形的高度方向，每隔一定的間隔(即切片層高)進行切片處理，以便提取截面的輪廓。層高間隔的大小根據(jù)被成形件的精度和生產(chǎn)率的要求選定。層高間隔愈小，精度愈高，但成形時間愈長。層高間隔的范圍一般為0.05~0.5mm，常用0.1~0.2mm，在此取值下，能得到相當光滑的成形曲面。切片層高間隔選定之后，成形時每一層疊加材料的厚度應與之相適應。顯然，切片層的間隔不得小于每一層疊加材料的最小厚度。1.33D打印技術的全過程 3D打印機是疊加堆積成形制造的核心設備，具有截面輪廓成形和截面輪廓堆積疊加兩個功能。根據(jù)其掃描頭成形原理和成形材料的不同，目前這種設備的種類多達數(shù)十種。根據(jù)采用材料及對材料處理方式的不同，3D打印機可分為以下幾類，見圖1-9。圖1-33D打印機分類1.43D打印機的主流機型【1.4.1】立體光固化打印機

立體光固化(StereoLithographyApparatus，SLA)成形工藝(見圖1-10)是目前最為成熟和廣泛應用的一種3D打印技術。它以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機的控制下用激光器發(fā)射出的紫外激光束，按預定零件各切片層截面的輪廓軌跡對液態(tài)光敏樹脂進行選擇性掃描，使被掃描部位的光敏樹脂產(chǎn)生光聚合(固化)反應薄層，從而形成零件的一個薄層截面。當一層樹脂固化完畢后，工作臺被下移一個層厚的距離，使在已固化的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，并用刮板將樹脂液面刮平，然后再進行下一層的激光掃描固化，新固化的一層將牢固地黏結在前一層上，如此重復，直至整個工件層疊固化完畢，得到一個完整的制件模型。 SLA成形技術的優(yōu)點是:整個打印機系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，成形精度較高，制件結構輪廓清晰且表面光滑，一般尺寸精度可控制在0.01mm內(nèi)，適合制作結構形狀異常復雜的制件，能夠直接制作面向熔模精密鑄造的中間模。但SLA成形尺寸有較大的限制，適合比較復雜的中小型零件的制作，不適合制作體積龐大的制件，成形過程中伴隨的物理變化和化學變化可能會導致制件變形，因此成形制件需要設計支撐結構。

圖1-10請看下頁1.43D打印機的主流機型圖1-10 SLA的3D打印原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型【1.4.2】 選擇性激光燒結打印機

選擇性激光燒結(SelectiveLaserSintering，SLS)成形工藝最早是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在其碩士論文中提出的，隨后C.R.Dechard創(chuàng)立了DTM公司并于1992年發(fā)布了基于SLS技術的工業(yè)級商用3D打印機Sinterstation。SLS成形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實現(xiàn)材料的燒結黏結，就這樣材料層層堆積實現(xiàn)成形。圖1-11所示為SLS的成形原理及其制件。圖1-11SLS的成形原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型 SLS成形的過程為:首先轉(zhuǎn)動鋪粉輥或移動鋪粉斗等機構將一層很薄的(1-00~200μm)塑料粉末(或金屬粉、陶瓷粉、覆膜砂等)鋪平到已成形制件的上表面，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點，從而進行燒結并與下面已成形的部分實現(xiàn)黏結，燒結形成一個層面，使粉末熔融固化成截面形狀。當一層截面燒結完后，工作臺下降一個層厚，這時再次轉(zhuǎn)動鋪粉輥或移動鋪粉斗，均勻地在已燒結的粉層表面上再鋪一層粉末，進行下一層燒結，如此反復操作直至工件完全成形。未燒結的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復進行直至完成整個制件的掃描、燒結，然后去掉打印制件表面上多余的粉末，并對表面進行打磨、滲蠟、后固化等后處理，便可獲得具有一定性能的SLS制件。

在SLS成形的過程中，未經(jīng)燒結的粉末對模型的空腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成形的制件不像SLA成形的制件那樣需要專門設計支撐結構。與SLA成形工藝相比，SLS成形工藝的優(yōu)點是:(1)原型件機械性能好，強度高。(2)無須設計和構建支撐。(3)可供選用的材料種類多，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，且成形材料的利用率高(幾乎為100%)。1.43D打印機的主流機型 SLS成形工藝的缺點是:(1)制件表面較粗糙，疏松多孔。(2)需要進行后處理。

采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結，經(jīng)滲銅等后處理工藝，特別適合制作功能測試零件，也可直接制造具有金屬型腔的模具。采用熱塑性塑料粉可直接燒結出“SLS蠟?！?，用于單件小批量復雜中小型零件的熔模精密鑄造生產(chǎn)，還可以燒結SLS覆膜砂型及砂芯直接澆注金屬鑄件。1.43D打印機的主流機型【1.4.3】 選擇性激光熔化打印機

選擇性激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)是由德國Fraunhofer激光技術研究所在20世紀90年代首次提出的一種能夠直接制造金屬零件的3D打印技術。它采用了功率較大(1-00~500W)的光纖激光器或NeYAG激光器，具有較高的激光能量密度和更細小的光斑直徑，成形件的力學性能、尺寸精度等均較好，只需簡單后處理即可投入使用，并且成形所用的原材料無需特別配制。 SLM的成形原理及3D打印制件如圖1-12所示。SLM的成形原理是:采用鋪粉裝置將一層金屬粉末材料鋪平在已成形零件的截面輪廓上表面，控制系統(tǒng)控制高能量激光束按照該層的截面輪廓在金屬粉層上掃描，使金屬粉末完全熔化并與下面已成形的部分實現(xiàn)熔合。當一層截面熔化完成后，工作臺下降一個薄層的厚度(0.02~0.03mm)，然后鋪粉裝置又在上面鋪上一層均勻密實的金屬粉末，進行新一層截面的熔化，如此反復，直到成形完成整個金屬制件。為防止金屬氧化，整個成形過程一般在惰性氣體的保護下進行，對易氧化的金屬(如Ti、Al等)，還必須進行抽真空操作，以去除成形腔內(nèi)的空氣。圖1-12請看下頁1.43D打印機的主流機型圖1-12SLM的成形原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型 SLM具有以下優(yōu)點:(1)直接制造金屬功能件，無需中間工序。(2)光束質(zhì)量良好，可獲得細微聚焦光斑，從而可以直接制造出較高尺寸精度和較好表面粗糙度的功能件。(3)金屬粉末完全熔化，所直接制造的金屬功能件具有冶金結合組織，致密度較高，具有較好的力學性能。(4)粉末材料可為單一材料，也可為多組元材料，原材料無需特別配制。

同時，SLM具有以下缺點:(1)由于激光器功率和掃描振鏡偏轉(zhuǎn)角度的限制，SLM能夠成形的零件尺寸范圍有限。(2)SLM設備費用貴，機器制造成本高。(3)成形件表面質(zhì)量差，產(chǎn)品需要進行二次加工。(4)SLM成形過程中，容易出現(xiàn)球化和翹曲。1.43D打印機的主流機型【1.4.4】 熔絲制造(熔融沉積)成形打印機

圖1-13所示的3D打印機是實現(xiàn)材料擠壓式工藝的一類增材制造裝備。以前稱為“熔融沉積”3D打印機(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)，現(xiàn)在這種打印機被美國3D打印技術委員會(F42委員會)公布的定義稱為熔絲制造(FusedFilamentFabrication，F(xiàn)FF)式3D打印機。圖1-13FFF(FDM)的成形原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型

這種成形工藝是將熱熔性絲材(通常為ABS或PLA材料)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，由供絲機構送至噴頭，在供料輥和噴頭之間有一導向套，導向套采用低摩擦系數(shù)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。噴頭的上方有電阻絲式的加熱器，在加熱器的作用下絲材被加熱到臨界半流動的熔融狀態(tài)，然后通過擠出機把材料從加熱的噴嘴擠出到工作臺上，材料冷卻后便形成了工件的截面輪廓。

采用FFF(FDM)工藝制作具有懸空結構的工件原型時需要有支撐結構的支持，為了節(jié)省材料成本和提高成形的效率，新型的FFF(FDM)設備采用了雙噴頭的設計，一個噴頭負責擠出成形材料，另外一個噴頭負責擠出支撐材料，而噴頭則按截面輪廓信息移動，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積(如圖113(a)所示)，噴頭在移動過程中所噴出的半流動材料沉積固化為一個薄層。每完成一層，工作臺下降一個切片層厚，再沉積固化出另一新的薄層，進行疊加沉積新的一層，如此反復，一層層成形且相互黏結，便堆積疊加出三維實體，最終實現(xiàn)零件的沉積成形。FFF(FDM)成形工藝的關鍵是保持半流動成形材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1℃左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm。1.43D打印機的主流機型 FFF(FDM)的優(yōu)點如下:(1)操作環(huán)境干凈、安全，可在辦公室環(huán)境下進行(沒有毒氣或化學物質(zhì)的危險，不使用激光)，不需要價格昂貴的激光器和振鏡系統(tǒng)，設備價格較便宜。(2)工藝簡單，易于操作且不產(chǎn)生垃圾，操作環(huán)境干凈。(3)表面制件質(zhì)量較好，可快速構建瓶狀或中空零件。(4)原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換(運行費用低)。(5)原材料費用低，材料利用率高。(6)可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、PC、PPSF、蠟絲、聚烯烴樹脂絲、尼龍絲、聚酰胺絲和人造橡膠等。 FFF(FDM)的缺點如下:(1)精度較低，難以構建結構復雜的零件，成形制件精度低，最高精度也不高。(2)與截面垂直的方向強度低。(3)成形速度相對較慢，不適合構建大型制件，特別是厚實制件。(4)噴嘴溫度控制不當容易堵塞，不適宜更換不同熔融溫度的材料。(5)懸臂件需加支撐，不宜制造形狀復雜構件。 FFF(FDM)適合制作薄壁殼體原型件(中等復雜程度的中小原型)，該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試。例如，用性能更好的PC和PPSF代替ABS，可制作塑料功能產(chǎn)品。1.43D打印機的主流機型【1.4.5】 分層實體打印機

分層實體制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)成形(見圖1-14)是將底面涂有熱熔膠的紙卷或塑料膠帶卷等箔材通過熱壓輥加熱黏結在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束或刀具對紙或箔材進行切割，首先切割出工藝邊框和所制零件的內(nèi)外輪廓，然后將不屬于原型本體的材料切割成網(wǎng)格狀，接著將新的一層紙或膠帶等箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層黏結在一起，激光束或刀具再次切割制件輪廓，如此反復逐層切割、黏結、切割……直至整個模型制作完成。通過升降平臺的移動和紙或箔材的送進可以切割出新的層片并將其與先前的層片黏結在一起，這樣層層疊加后得到一個塊狀物，最后將不屬于原型輪廓形狀的材料小塊剝除，就獲得了所需的三維實體。圖1-14LOM的成形原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型 LOM成形的優(yōu)點是:(1)無需設計和構建支撐。(2)只需切割輪廓，無需填充掃描整個斷面。(3)制件有較高的硬度和較好的力學性能(與硬木和夾布膠木相似)。(4)LOM制件可像木模一樣進行膠合，可進行切削加工和用砂紙打磨、拋光，提高表面光滑程度。(5)原材料價格便宜，制造成本低。 LOM成形的缺點是:(1)材料利用率低，且種類有限。(2)分層結合面連接處臺階明顯，表面質(zhì)量差。(3)原型易吸濕膨脹，層間的黏結面易裂開，因此成形后應盡快對制件進行表面防潮處理并刷防護涂料。(4)制件內(nèi)部廢料不易去除，處理難度大。

綜上分析，LOM成形工藝適合于制作大中型、形狀簡單的實體類原型件，特別適用于直接制作砂型用的鑄模(替代木模)。圖1-14(b)所示為以單面涂有熱熔膠的紙為原料、并用LOM成形的火車機車發(fā)動機缸蓋模型。1.43D打印機的主流機型【1.4.6】 黏結劑噴射式打印機

黏結劑噴射式打印機(ThreeDimensionalPrinting，3DP)是利用噴墨打印頭逐點噴射黏結劑來黏結粉末材料的方法制造原型件。3DP的成形過程與SLS相似，只是將SLS中的激光束變成噴墨打印頭噴射的黏結劑(“墨水”)，其工作原理類似于噴墨打印機，是形式上最為貼合“3D打印”概念的成形技術之一。3DP工藝與SLS工藝也有類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，但與其不同的是3DP使用的粉末并不是通過激光燒結黏合在一起的，而是通過噴頭噴射黏結劑將工件的截面“打印”出來并一層層堆積成形的。圖1-15所示為3DP的成形原理及3D打印制件。圖1-153DP的成形原理及3D打印制件圖1.43D打印機的主流機型 3DP的優(yōu)點是:(1)成形速度快，成形材料價格低。(2)在黏結劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一。(3)成形過程不需要支撐，多余粉末的去除比較方便，特別適合于做內(nèi)腔復雜的原型。(4)適用于3DP成形的材料種類較多，并且還可制作復合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。 3DP的缺點是強度較低，只能做概念型模型，而不能做功能性試驗件。

與SLS技術相同，3DP技術可使用的成形材料和能成形的制件較廣泛，在制造多孔的陶瓷部件(如金屬陶瓷復合材料多孔坯體或陶瓷模具等)方面具有較大的優(yōu)越性，但制造致密的陶瓷部件具有較大的難度。1.43D打印機的主流機型 3D打印技術直接將電腦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實體，實現(xiàn)了“心想事成”的夢想。其主要的應用領域如圖1-16所示。

從制造目標來說，3D打印主要用于快速概念設計及功能測試原型制造、快速模具原型制造、快速功能零件制造。但大多數(shù)3D打印作為原型件進行新產(chǎn)品開發(fā)和功能測試等?？焖僦苯又颇＜翱焖俟δ芰慵圃焓?D打印面臨的一個重大技術難題，也是3D打印技術發(fā)展的一個重要方向。根據(jù)不同的制造目標3D打印技術將相對獨立發(fā)展，更加趨于專業(yè)化。圖1-163D打印的主要應用領域1.53D打印技術的應用與發(fā)展【1.5.1】 3D打印技術的應用1.設計方案評審

借助于3D打印的實體模型，不同專業(yè)領域(設計、制造、市場、客戶)的人員可以對產(chǎn)品實現(xiàn)方案、外觀、人機功效等進行實物評價。2.制造工藝與裝配檢驗

借助3D打印的實體模型結合設計文件，可有效指導零件和模具的工藝設計，或進行產(chǎn)品裝配檢驗，避免結構和工藝設計錯誤。3.功能樣件制造與性能測試 3D打印制造的實體功能件具有一定的結構性能，同時利用3D打印技術可直接制造金屬零件，或制造出熔(蠟)模，再通過熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。4.快速模具小批量制造

以3D打印制造的原型作為手模板，制作硅膠、樹脂、低熔點合金等快速模具，可便捷地實現(xiàn)幾十件到數(shù)百件數(shù)量零件的小批量制造。5.建筑總體與裝修展示評價

利用3D打印技術可實現(xiàn)模型真彩及紋理打印的特點，可快速制造出建筑的設計模型，進行建筑總體布局、結構方案的展示和評價。1.53D打印技術的應用與發(fā)展6.科學計算數(shù)據(jù)實體可視化

計算機輔助工程、地理地形信息等科學計算數(shù)據(jù)可通過3D彩色打印，實現(xiàn)幾何結構與分析數(shù)據(jù)的實體可視化。7.醫(yī)學與醫(yī)療工程

通過醫(yī)學CT數(shù)據(jù)的三維重建技術，利用3D打印技術制造器官、骨骼等實體模型，可指導手術方案設計，也可打印制作組織工程原型件和定向藥物輸送骨架等。8.首飾及日用品快速開發(fā)與個性化定制9.動漫藝術造型評價10.電子器件的設計與制作

利用3D打印可在玻璃、柔性透明樹脂等基板上，設計制作電子器件和光學器件，如RFID、太陽能光伏器件、OLED等。11.文物保護12.食品3D打印機

1.53D打印技術的應用與發(fā)展【1.5.2】 3D打印技術與行業(yè)結合的優(yōu)勢1. 3D打印與醫(yī)學領域(1)為再生醫(yī)學、組織工程、干細胞和癌癥等生命科學與基礎醫(yī)學研究領域提供新的研究工具。(2)為構建和修復組織器官提供新的臨床醫(yī)學技術，推動外科修復整形、再生醫(yī)學和移植醫(yī)學的發(fā)展。(3)開發(fā)全新的高成功率藥物篩選技術和藥物控釋技術。(4)制造“細胞芯片”，在設計好的芯片上打印細胞，為功能性生物研發(fā)做鋪墊。(5)定制化、個性化假肢和假體的3D打印為廣大患者帶來福音。(6)3D打印技術開發(fā)的手術器械提供了更直觀的新型醫(yī)療模式。2. 3D打印與制造領域3D打印與制造業(yè)結合有以下優(yōu)勢:1)使用3D打印技術可加快設計過程。2)用3D打印生成原型可節(jié)省時間。3)用3D打印可進行更有效的設計，增加新產(chǎn)品成功的機會。4)采用3D打印技術可降低產(chǎn)品設計成本。1.53D打印技術的應用與發(fā)展3. 3D打印與快速制模領域

用3D打印技術直接制作金屬模具是當前制模技術領域研發(fā)的熱點，下面主要介紹其中的幾種工藝。1)金屬粉末燒結成形

金屬粉末燒結成形就是用SLS法將金屬粉末直接燒結成模具。2)金屬薄(箔)材疊層成形

金屬薄(箔)材疊層成形是LOM法的進一步發(fā)展,其材料不是紙,而是金屬(鋼、鋁等)薄材。它是用激光切割或高速銑削的方法制造出層面的輪廓,再經(jīng)由焊接或黏結疊加為三維金屬制件。3)基于3D技術的間接快速制模法

基于3D技術的間接快速模具制造可以根據(jù)所要求模具壽命的不同，結合不同的傳統(tǒng)制造方法來實現(xiàn)。(1)對于壽命要求不超過500件的模具，可使用以3D打印原型件作母模、再澆注液態(tài)環(huán)氧樹脂與其他材料(如金屬粉)的復合物而快速制成的環(huán)氧樹脂模。(2)若僅僅生產(chǎn)20~50件注塑模，則可使用由硅橡膠鑄模法(以3D打印原型件為母模)制作的硅橡膠模具。1.53D打印技術的應用與發(fā)展(3)對于壽命要求在幾百件至幾千件(上限為3000~5000件)的模具，常使用由金屬噴涂法或電鑄法制成的金屬模殼(型腔)。(4)對于壽命要求為成千上萬件(3000件以上)的硬質(zhì)模具，主要是鋼模具，常用3D打印技術快速制作石墨電極或銅電極，再通過電火花加工法制造出鋼模具。

圖1-19所示為子午線輪胎3D打印快速制模的過程實例(見圖1-19)。圖中，圖(a)是用3D打印輪胎原型，圖(b)為輪胎原型翻制的硅橡膠凹模，圖(c)是用硅橡膠凹模翻制的陶瓷型，圖(d)是將鐵水澆注到陶瓷型里面，冷凝后而獲得的輪胎的合金鑄鐵模。圖1-19輪胎合金鑄鐵模的快速制模過程

1.53D打印技術的應用與發(fā)展

圖1-20所示為開關盒3D打印快速制模的過程實例(見圖1-20)。首先用LOM3D打印制造開關盒原型凸模(見圖1-20(a))，經(jīng)打磨、拋光等表面處理并在表面噴鍍導電膠，然后將噴鍍導電膠的凸模原型進行電鑄銅，形成金屬薄殼，再用板料將薄殼四周圍成框，之后向其中注入環(huán)氧樹脂等背襯材料，便可得到銅質(zhì)面、硬背襯的開關盒凹模(見圖1-20(b))。圖1-20LOM3D打印開關盒模具實例4.3D打印與教育領域 3D打印技術所具有的特性為教學提供了新的路徑，其在高等教育中的應用主要有以下幾個方面。1)方便打造教學模具2)改善老師的教學方法3)3D打印激發(fā)學生的興趣1.53D打印技術的應用與發(fā)展【1.5.3】 3D打印技術在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，我國3D打印技術發(fā)展雖然在技術標準、技術水平、產(chǎn)業(yè)規(guī)模與產(chǎn)業(yè)鏈方面還存在大量有待改進的地方，但經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成以高校為主體的技術研發(fā)力量布局，若干關鍵技術取得了重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步，形成了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場，并在多個領域成功應用，為下一步發(fā)展奠定了良好的基礎。1.初步建立了以高校為主體的技術研發(fā)力量體系2.整體實力不斷提升，金屬3D打印技術世界領先3.產(chǎn)業(yè)化進程加快，初步形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場4.應用取得突破，在多個領域顯示了良好的發(fā)展前景(1)在設計階段，已成功將3D打印技術廣泛應用于概念設計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證等，顯著縮短了設計時間，節(jié)約了研制經(jīng)費。(2)在制造領域，已將3D打印技術應用于飛機緊密部件和大型復雜結構件制造。(3)在維修保障領域，3D打印技術已成功應用于飛機部件維修。1.53D打印技術的應用與發(fā)展【1.5.4】 3D打印技術在國內(nèi)的發(fā)展趨勢1.3D打印既是制造業(yè)，更是服務業(yè)2.目前3D打印產(chǎn)業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化的初期階段

目前我國3D打印技術發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，總體處于新興技術產(chǎn)業(yè)化的初級階段，主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭炔桓摺?2)技術創(chuàng)新體系不健全。(3)產(chǎn)業(yè)政策體系尚未完善。(4)行業(yè)管理亟待加強。(5)教育和培訓制度急需加強。3.與傳統(tǒng)的制造技術形成互補

相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，3D打印技術的確是重大的變革，但目前和近中期還不具備推動第三次工業(yè)革命的實力，短期內(nèi)還難以顛覆整個傳統(tǒng)制造業(yè)模式。理由有三:(1)3D打印只是新的精密技術與信息化技術的融合，相比于機械化大生產(chǎn)，不是替代關系，而是平行和互補關系。(2)3D打印原材料種類有限，決定了絕大多數(shù)產(chǎn)品打印不出來。(3)個性化打印成本極高，很難實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方式的大批量、低成本