如果讓你評(píng)選當(dāng)今最能改變世界的一項(xiàng)技術(shù)，你會(huì)選什么?人工智能、區(qū)塊鏈、AR與VR技術(shù)，還是默默無(wú)聞的3D打印技術(shù)呢?相比于前幾位火爆全場(chǎng)的科學(xué)技術(shù)，3D打印仿佛流星一般，爆發(fā)剎那的閃耀后就消失眼前，實(shí)際上，3D打印技術(shù)正在以更快的速度改變著世界。

3D打印機(jī)(3D Printers)是一位名為恩里科·迪尼(Enrico Dini)的發(fā)明家設(shè)計(jì)的一種神奇的打印機(jī)，它不僅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印任何所需的物品的形狀。

3D打印機(jī)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。常常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型或者用于一些產(chǎn)品的直接制造，意味著這項(xiàng)技術(shù)正在普及。

3D打印的技術(shù)原理

3D打印并非是新鮮的技術(shù)，這個(gè)思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟把它稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。三維打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料 打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種打印機(jī)的產(chǎn)量以及銷量在二十一世紀(jì)以來(lái)就已經(jīng)得到了極大的增長(zhǎng)，其價(jià)格也正逐年下降。

使用打印機(jī)就像打印一封信：輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副二維圖像。而在3D打印時(shí)，軟件通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，后者會(huì)將連續(xù)的薄型層面堆疊起來(lái)，直到一個(gè)固態(tài)物體成型。3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別在于它使用的“墨水”是實(shí)實(shí)在在的原材料。

堆疊薄層的形式有多種多樣。有些3D打印機(jī)使用“噴墨”的方式。例如，一家名為Objet的以色列3D打印機(jī)公司使用打印機(jī)噴頭將一層極薄的液態(tài)塑料物質(zhì) 噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進(jìn)行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來(lái)。另外一家總部位于美國(guó)明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一種叫做“熔積成型”的技術(shù)，整個(gè)流程是在噴頭內(nèi)熔化塑料，然后通過(guò)沉積塑料纖維的方式才形成薄層。

還有一些系統(tǒng)使用粉末微粒作為打印介質(zhì)。粉末微粒被噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進(jìn)行固化。它也可以使用一種叫做“激光燒結(jié)”的技術(shù)熔鑄成指定形狀。這也正是德國(guó)EOS公司在其疊加工藝制造機(jī)上使用的技術(shù)。而瑞士的Arcam公司則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒。

以上提到的這些僅僅是許多成型方式中的一部分。當(dāng)遇到包含孔洞及懸臂這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，介質(zhì)中就需要加入凝膠劑或其他物質(zhì)以提供支撐或用來(lái)占據(jù)空間。這部分粉末不會(huì)被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支 撐物便可形成孔隙。如今可用于打印的介質(zhì)種類多樣，從繁多的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質(zhì)。有些打印機(jī)還能結(jié)合不同介質(zhì)，令打印出來(lái)的物體一頭堅(jiān)硬而另一頭柔軟。

3D打印技術(shù)的發(fā)展歷史

3D打印源自100多年前美國(guó)研究的照相雕塑和地貌成形技術(shù)，上世紀(jì)80年代已有雛形，其學(xué)名為“快速成型”。

在20世紀(jì)80年代中期，SLS被在美國(guó)得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發(fā)出來(lái)并獲得專利，項(xiàng)目由DARPA贊助的。1979年，類似過(guò)程由RF Housholder得到專利，但沒(méi)有被商業(yè)化。

1995年，麻省理工創(chuàng)造了“三維打印”一詞，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案。

說(shuō)到3D打印，就不得不提3D打印機(jī)。3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種累積制造技術(shù)，通過(guò)打印一層層的粘合材料來(lái)制造三維的物體。現(xiàn)階段三維打印機(jī)被用來(lái)制造產(chǎn)品。 2003年以來(lái)三維打印機(jī)的銷售逐漸擴(kuò)大，價(jià)格也開始下降。

該技術(shù)可用于珠寶，鞋類，工業(yè)設(shè)計(jì)，建筑，工程和施工(AEC)，汽車，航空航天，牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)，教育，地理信息系統(tǒng)，土木工程，和許多其他領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，到20世紀(jì)80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用。3D打印是科技融合體模型中最新的高“維度”的體現(xiàn)之一。

目前，三維打印機(jī)的使用范圍還很有限，不過(guò)在未來(lái)的某一天人們一定可以通過(guò)3D打印機(jī)打印出更實(shí)用的物品。

3D打印能做什么?

打印服裝

早在2013年，維多利亞的秘密時(shí)裝秀上早已開始展示由3D打印技術(shù)制作的服裝，當(dāng)時(shí)超模indsayEllingson穿戴著由3D打印機(jī)打印的一對(duì)翅膀、緊身胸衣和頭飾驚艷亮相，至今依舊讓人驚嘆。

打印人體假肢

2012年，一位蘇丹的男孩因?yàn)樵趦绍妼?duì)峙中受傷失去了自己的雙手，這件事被MickEbeling了解到，他當(dāng)時(shí)在蘇丹成立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)配備一臺(tái)3D打印機(jī)，可以幫助截肢患者重新用3D打印技術(shù)，打印出自己最適合的假肢。

2016年，湖南的3D打印技術(shù)企業(yè)開發(fā)出打印人體骨骼的技術(shù)，并開始正式應(yīng)用。前不久，韓國(guó)延世大學(xué)衛(wèi)生系統(tǒng)更宣布他們已經(jīng)開發(fā)出可以正式商業(yè)化的3D打印人工義眼，幾乎可以以假亂真，由此可見，以后我們也許再也不會(huì)在大街上看到任何肢體殘疾的人士。

打印你想要的任何東西

實(shí)際上，發(fā)展到現(xiàn)在，生活中常見的物品幾乎都可以用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造。例如汽車，早已經(jīng)可以用3D打印技術(shù)制作出來(lái)，目前各大發(fā)動(dòng)機(jī)廠家甚至還嘗試?yán)?D打印技術(shù)制作汽車的引擎。再比如，我們的房子，早前上海的一家建筑公司就已經(jīng)展出利用3D打印機(jī)制作的房屋，雖然看起來(lái)不怎么好看，但成本卻極為低廉，只需要五萬(wàn)塊不到，你就可以擁有屬于自己的三方一廳了，前提是那塊地得是你的。除了房子，汽車，3D打印還能制作糖果，完全可以食用的糖果，無(wú)需擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，甚至連藝術(shù)品、槍支等都可以進(jìn)行打印。

3D打印技術(shù)種類

SLA(Stereo lithography Appearance，立體光固化成型技術(shù))

用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面。這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，原材料是液態(tài)光敏樹脂。其工作原理是：將液態(tài)光敏樹脂放入加工槽中，開始時(shí)工作臺(tái)的高度與液面相差一個(gè)截面層的厚度，經(jīng)過(guò)聚焦的激光按橫截面的輪廓對(duì)光敏樹脂表面進(jìn)行掃描，被掃描到的光敏樹脂會(huì)逐漸固化，這樣就可以產(chǎn)生了與橫截面輪廓相同的固態(tài)的樹脂工件。此時(shí)，工作臺(tái)會(huì)下降一個(gè)截面層的高度，固化了的樹脂工件就會(huì)被在加工槽中周圍沒(méi)有被激光照射過(guò)的還處于液態(tài)的光敏樹脂所淹沒(méi)，激光再開始按照下一層橫截面的輪廓來(lái)進(jìn)行掃描，新固化的樹脂會(huì)粘在下面一層上，經(jīng)過(guò)如此循環(huán)往復(fù)，整個(gè)工件加工過(guò)程就完成了。然后將完成的工件再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。

優(yōu)點(diǎn)：

1.光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高;

2.由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無(wú)需切削工具與模具;

3.可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具;

4.使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本;

5.為實(shí)驗(yàn)提供試樣，可以對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與校核;

6.可聯(lián)機(jī)操作，可遠(yuǎn)程控制，利于生產(chǎn)的自動(dòng)化;

缺點(diǎn)：

1.SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過(guò)高;

2.SLA系統(tǒng)是要對(duì)液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻;

3.成型件多為樹脂類，強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限，不利于長(zhǎng)時(shí)間保存;

4.軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜，入門困難;使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉;

5. 由于樹脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變;

SLS(Selective Laser Sintering，選擇性激光燒結(jié))

選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。

整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉。控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對(duì)于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。

優(yōu)點(diǎn)：

1.SLS所使用的成型材料十分的廣泛。目前可以進(jìn)行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和他們的復(fù)合粉末材料。成型件性能分布廣泛適合于多種用途。

2.SLS無(wú)需設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)。

缺點(diǎn)：

SLS工藝加工成型后的工件表面會(huì)比較粗糙，增強(qiáng)機(jī)械性能的后期處理工藝本身也比較復(fù)雜。(粗糙度取決于粉末的直徑)

LOM(Laminated Object Manufacturing，分層實(shí)體制造法，又稱層疊成型法)

它以片材(如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料)為原材料，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。

優(yōu)點(diǎn)：

1.工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點(diǎn)是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。

2.成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙;

3.制件性能：相當(dāng)于高級(jí)木材;

4.主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。

FDM(Fused Deposition Modeling，熔積成型法)

該方法使用絲狀材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲)為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度(約比熔點(diǎn)高1℃)，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆(也有文獻(xiàn)中寫的是工作臺(tái)下降一個(gè)截面層的高度，然后噴頭進(jìn)行下一個(gè)橫截面的打印)，如此循環(huán)往復(fù)，熱塑性絲狀材料就會(huì)一層一層地在工作臺(tái)上完成所需要橫截面輪廓的噴涂打印，直至最后完成。

FDM工藝可選擇多種材料進(jìn)行加工，包括聚碳酸酯、工程塑料以及二者的混合材料等。

這種工藝不用激光，使用、維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于這種工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額最大。

優(yōu)點(diǎn)：

1.該技術(shù)污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形;

2.成形材料：固體絲狀工程塑料;

3.可以通過(guò)使用溶于水的支撐材料，以便與工件的分離，從而實(shí)現(xiàn)瓶狀或其它中空型工件的加工;

4.制件性能：相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)?

5.主要用途：塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?/p>

缺點(diǎn)：

1.比SLA工藝加工精度低;

2.工件表面比較粗糙;

3.加工過(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)。

3DP技術(shù)

3DP即3D printing，采用3DP技術(shù)的3D打印機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印技術(shù)，通過(guò)將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上， 以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實(shí)體模型，采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實(shí)際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大，是目前最為成熟的彩色3D打印技術(shù)。

現(xiàn)有3D打印技術(shù)存在的問(wèn)題及解決方法

材料的限制

目前主流的3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)聚合物塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)打印的材料還非常多。材料的限制主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面的限制，一方面，目前的3D打印技術(shù)可打印的材料種類有限，無(wú)法完全適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中所需的各種各樣的材料的打印。這使得3D打印技術(shù)只能應(yīng)用于一些特定場(chǎng)合，普及推廣仍有很大的障礙。另一方面，針對(duì)特定的3D打印機(jī)，可打印的材料種類更是特定的幾種或幾類，這使得針對(duì)每種或每類材料，就需要設(shè)計(jì)專屬的3D打印機(jī)，通用性不如傳統(tǒng)的機(jī)械加工好。雖然目前在多材料打印上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但除非這些進(jìn)展達(dá)到成熟并有效，否則材料依然會(huì)是3D打印的一大障礙。

解決方法：

針對(duì)以上兩方面問(wèn)題，可以以這樣的思路尋求解決方案。一、研發(fā)新材料，這也是國(guó)家目前大力發(fā)展的方向。通過(guò)研發(fā)新型的打印性能好、材料性能還能達(dá)到傳統(tǒng)材料要求材料，提高3D打印技術(shù)的通用性。二、提高3D打印機(jī)本身的通用性。可以從模塊化設(shè)計(jì)角度出發(fā)，本體結(jié)構(gòu)保持一致，對(duì)不同種類或類型的材料，只改變部分部件如噴頭，而且部件的拆裝性能要好，方便更換。

打印效率低

效率低可以從兩個(gè)角度進(jìn)行分析。一、與傳統(tǒng)機(jī)械加工比較，機(jī)械加工是在毛坯的基礎(chǔ)上減材形成，通常毛坯和零件之間相差的材料較少，即需要去除的材料少，加工比較快;而3D打印技術(shù)必須將所有零件實(shí)體所需材料通過(guò)增材方式堆疊，材料體積大。所以從去除或堆疊得材料體積量來(lái)比較，增材的體積量通常比減材的體積量要大。二、從成型運(yùn)動(dòng)方面考慮，傳統(tǒng)的機(jī)械加工主運(yùn)動(dòng)多為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而3D打印技術(shù)為直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更容易達(dá)到更大的速度，而且保持一定的穩(wěn)定性，3D打印技術(shù)的掃描運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，很難達(dá)到較大的速度。因此，3D打印技術(shù)不僅所需加工的體積量大，而且運(yùn)動(dòng)速度受限，所以綜合加工效率低。

解決方法：

針對(duì)問(wèn)題一，可以考慮在一定的規(guī)則毛坯材料上增材，減少需要打印的材料量，主要是用于大批量生產(chǎn)情況下，預(yù)先設(shè)計(jì)一系列實(shí)體輪廓中所包含的最小毛坯，在毛坯的基礎(chǔ)上打印。針對(duì)問(wèn)題二，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度，可以設(shè)計(jì)可高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) ，如并聯(lián)機(jī)構(gòu)。另外也需要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)材料，增快其熔融速度或凝固速度。還可以從軟件及軌跡規(guī)劃角度著手，采用梯度設(shè)計(jì)思想，對(duì)于有強(qiáng)度等方面要求的，填充率選擇大一些，其他部分填充率小一些，而不是像目前整個(gè)實(shí)體都選擇同一填充率。

質(zhì)量和精度低

首先是質(zhì)量問(wèn)題，由于3D打印采用“分層制造，層層疊加”的增材制造工藝，層與層之間的結(jié)合再緊密，也無(wú)法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄而成的零件相媲美，而零件材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)決定了零件的物理性能如強(qiáng)度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、氣密性等大多不能滿足工程實(shí)際的使用要求。其次是精度問(wèn)題，由于3D打印技術(shù)固有的成型原理及發(fā)展還不完善，其打印成型零件的精度包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度都較差，不能作為功能性零件，只能做原型件使用，從而其應(yīng)用將大打折扣。

解決方法：

對(duì)于質(zhì)量問(wèn)題，可以考慮從打印路徑的角度出發(fā)，使打印紋理走勢(shì)與零件主要受力方向一致，增加其強(qiáng)度，防止在力的作用下，零件發(fā)生撕裂或破壞。對(duì)于精度問(wèn)題，盡可能研究高分辨率打印技術(shù)，將層分辨率降低，但也要考慮與打印效率的匹配問(wèn)題。另外可以增減材技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)減材技術(shù)進(jìn)行表面處理或其他后處理。