作者：Richard Quinnell，特殊項目編輯，技術(shù)

幾年前，制造業(yè)務(wù)中的 3D 打印充滿希望，但仍未得到證實。從那以后，根據(jù)Gartner 炒作周期，它已經(jīng)下降到“幻滅的低谷”，在這種情況下，現(xiàn)實沒有達(dá)到預(yù)期。但在 4 月的漢諾威博覽會上，世界上最大的工業(yè)貿(mào)易展之一并沒有體現(xiàn)出這種幻滅感。在那里，3D打印大量展示，表明3D打印在現(xiàn)代工業(yè)運營中的發(fā)展勢頭強勁。

3D 打印（即增材制造）的基本過程似乎很簡單。在水平 (XY) 平面上移動，打印機構(gòu)在構(gòu)建平臺上沉積一層薄薄的材料，對應(yīng)于目標(biāo)物體的橫截面切片。然后，打印頭或基材在垂直 (Z) 方向上略微移動，并重復(fù)該過程以將下一個切片的材料放置在先前沉積的材料上。當(dāng)該過程完成并移除支撐材料后，生成的切片堆棧就是所需的完整 3D 對象。

展會上展示了三種主要類型的印刷機制——擠壓、燒結(jié)和光刻——這三種類型中的每一種都有多家供應(yīng)商。惠普還展示了其混合噴射融合 3D 打印機。一些印刷材料供應(yīng)商也有存在。

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每種類型的打印機制都提供了制造對象的材料選擇以及獨特的機遇和挑戰(zhàn)。例如，擠出打印通常使用塑料細(xì)絲，打印頭在構(gòu)建物體時必須熔化才能擠出和沉積。另一種方法是使用噴墨頭將材料沉積在液滴中。無論哪種方式，如果對象的結(jié)構(gòu)具有激進(jìn)的懸垂或從 Z 軸某處開始且其下方?jīng)]有任何東西的特征，則該方法會產(chǎn)生問題。由于打印機無法將材料沉積在空氣中，甚至無法懸臂離底座太遠(yuǎn)，因此擠壓過程需要打印機在需要的地方創(chuàng)建支撐柱。這增加了對象的描述文件的復(fù)雜性，浪費了材料，并且需要對對象進(jìn)行打印后清潔以移除支撐結(jié)構(gòu)。

不過，工業(yè) 3D 擠壓打印機正在以多種方式應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。一種是使用多頭打印機，其中一個頭打印目標(biāo)材料，另一個頭打印不同的支撐材料。該支撐材料可以配制為易于從物體的基材上脫離，或者可以是水溶性聚乙烯醇（PVA）之類的東西，可以使用溶劑去除。

燒結(jié) 3D 打印繞過了創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)的需要，因為正在進(jìn)行的工作總是有基礎(chǔ)材料的支持。這些打印機的工作原理是在構(gòu)建平臺上沉積一層粉末材料，然后選擇性地將粉末融合成固體以構(gòu)建切片。通常，該融合過程利用激光產(chǎn)生精確的加熱，在構(gòu)建區(qū)域上掃描光束，但也可以使用其他方法。例如，惠普使用所謂的噴射融合技術(shù)，利用其噴墨打印機技術(shù)將化學(xué)融合劑應(yīng)用到粉末層上。Envisiontec 的 Viridis3D 打印機使用沙子，使用粘合劑將顆粒融合在一起。

燒結(jié)印刷的一個優(yōu)點是可用于構(gòu)建物體的材料范圍。與要求構(gòu)建材料具有打印頭可以處理的足夠低的熔點的擠壓不同，激光燒結(jié)可以使用具有非常高熔點的材料。例如，這允許使用諸如鎳、鋼或鈦之類的金屬以及各種類型的陶瓷。然而，燒結(jié)的一個缺點是增加了打印機的復(fù)雜性。打印機不僅必須能夠為每個新層鋪設(shè)薄而均勻的粉末層，而且必須能夠在構(gòu)建完成后有效地回收和重新使用未燒結(jié)的粉末。

第三個主要的 3D 打印工藝，立體光刻，也選擇性地硬化覆蓋構(gòu)建平臺的材料，但它使用液體代替粉末。當(dāng)兩束光束都聚焦在流體表面附近的同一點或體素（體積像素）上時，雙聚焦光源會觸發(fā)光硬化樹脂的固化。然后打印機稍微抬起構(gòu)建平臺，為下一個切片做好準(zhǔn)備。因此，構(gòu)建對象從液體中抽出，無需從構(gòu)建區(qū)域移除未使用的材料，以便為下一次打印運行做好準(zhǔn)備。該方法的缺點是可用的光固化構(gòu)建材料的范圍有限。下表給出了所有三種工藝的代表性構(gòu)建材料的摘要。

用于 3D 打印技術(shù)的代表性構(gòu)建材料。

曾經(jīng)被認(rèn)為是一種新奇事物，甚至是一種玩具，3D 打印現(xiàn)在被認(rèn)為是創(chuàng)建原型和獨特或定制物品的可行方法。然而，對于更大規(guī)模的制造，3D 打印面臨一些限制。一是物體尺寸——要制造的物品必須適合設(shè)備的移動限制所定義的體積。下表列出了代表性打印機的構(gòu)建體積。

具有代表性的工業(yè) 3D 打印機。

另外兩個限制是制造速度和精度，兩者都是相互關(guān)聯(lián)的。由于打印機是按層甚至單個體素制造的，因此物體精度和表面光滑度受到使用中的層厚度或體素大小的限制。同時，制造速度與那些相同的尺寸成反比。細(xì)節(jié)越精細(xì)，制造過程就越慢。

這些限制可能會限制 3D 打印在工業(yè)應(yīng)用中的適用性，其中高精度和大批量生產(chǎn)通常是最重要的。但工業(yè) 3D 打印的勢頭正在增長，供應(yīng)商正在穩(wěn)步消除這些限制。許多工業(yè)打印機的層厚度已經(jīng)達(dá)到 20 微米，體素的 XY 位置精度為 12 微米，并且正在進(jìn)行改進(jìn)。

為了提高 3D 打印機的生產(chǎn)速度，展會上展示了幾種方法。例如，HP Fusion Jet 和 Viridis3D 打印機使用線性打印頭陣列在構(gòu)建表面上一次燒結(jié)材料。同樣，EOS M400-4 在其燒結(jié)過程中采用了四個激光器來提高產(chǎn)量。

構(gòu)建量限制也正在得到解決。Viridis3D 打印機和 IKV 演示單元使用機械臂來控制打印頭位置，而不是使用 XY 掃描機構(gòu)和單獨的 Z 軸平臺移動。因此，機器人增材制造 (RAM) 方法無需在打印機外殼內(nèi)（并受其限制）進(jìn)行部件制造，而是可以在工作環(huán)境中所需的任何表面上構(gòu)建對象。這種方法還將構(gòu)建體積擴(kuò)展到手臂可以到達(dá)的任何地方。例如，Viridis3D 打印機可以創(chuàng)建 3 x 3 x 6 英尺大的物體。

3D打印在工業(yè)中的發(fā)展勢頭也是制造業(yè)自身變化的結(jié)果。對外形尺寸、顏色和材料的定制生產(chǎn)的需求日益增加，并且人們對通過按需制造零件而不是囤積零件來減少庫存的興趣日益增加。此外，生產(chǎn)線必須變得更加靈活，能夠快速適應(yīng)不斷變化的需求。高效的 3D 打印可以滿足所有這些需求。在這樣的市場需求帶動需求的情況下，3D打印在工業(yè)應(yīng)用中只會繼續(xù)獲得動力。

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審核編輯 黃昊宇