3D打印是如何工作的？

還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個(gè)片段以非常形象的手法展現了一種對三維獸首進(jìn)行掃描并復制重現的未來(lái)技術(shù)概念3D打印。而在現實(shí)世界，科技前進(jìn)的步伐是不可阻擋的。

我國在去年成功完成首次太空3D打印，對空間站在軌擴建和長(cháng)期運行具有重要意義。近期，也宣稱(chēng)將利用這項技術(shù)來(lái)制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進(jìn)行全3D打印火箭的發(fā)射。3D打印技術(shù)正展現出非凡的發(fā)展潛力與活力。



圖1：3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)又稱(chēng)增材制造（Additive manufacturing），是一種以數字模型文件為基礎，將可粘合材料逐層疊加以構建現實(shí)三維物體的技術(shù)。作為“決定未來(lái)經(jīng)濟的12大顛覆技術(shù)”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標志著(zhù)從傳統制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術(shù)革命浪潮。

與傳統制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點(diǎn)，在生產(chǎn)上可以?xún)?yōu)化結構、節約材料和節省能源，極大提高制造效率，實(shí)現“設計引導制造”的創(chuàng )新理念。



圖2：通用3D打印流程

圖源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2

發(fā)展歷程

縱觀(guān)3D打印技術(shù)的發(fā)展史，最早可追溯至1984年由美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明的立體光固化成型技術(shù)（Stereolithography appearance，SLA）。隨后又逐步發(fā)展出選擇性激光燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）、微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技術(shù)。

進(jìn)入21世紀以來(lái)，3D打印技術(shù)有了全新的突破，全球正式進(jìn)入3D打印的高速發(fā)展階段，并在大類(lèi)技術(shù)的細分下逐步涌現出了各式各樣的革新式小類(lèi)工藝，以滿(mǎn)足特定行業(yè)需求，與傳統制造業(yè)形成有效互補。

3D打印方法分類(lèi)

根據國際標準化組織轄下增材制造技術(shù)委員會(huì )發(fā)布的ISO/ASTM 52900: 2015標準，3D打印工藝方案主要分為七大類(lèi)。

一、材料擠出型

Material extrusion

通過(guò)噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料。如熔融沉積成型（Fused deposition modelling, FDM），是一種最為直觀(guān)也最常見(jiàn)的打印方式。在打印時(shí)，設備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)帶有微細噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個(gè)實(shí)體。打印材料主要為聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。

優(yōu)點(diǎn)：設備和耗材的價(jià)格低廉、材料范圍廣、打印產(chǎn)品強度高。

缺點(diǎn)：打印精度較低、打印樣件表面粗糙度大。

二、光聚合成型

Vat photopolymerization

使用特定波長(cháng)的光對液態(tài)聚合物進(jìn)行選擇性光固化。這類(lèi)技術(shù)使用的材料是光敏樹(shù)脂，在光照下樹(shù)脂發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的形態(tài)轉變，從而實(shí)現打印過(guò)程。根據光源類(lèi)型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和數字光處理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印過(guò)程均不同。其中，SLA使用激光逐點(diǎn)掃描液態(tài)樹(shù)脂面，點(diǎn)-線(xiàn)-面順序固化以完成一個(gè)層面的成型，再配合成型平臺的移動(dòng)層層疊加構成三維實(shí)體。DLP則采用整面曝光進(jìn)行一個(gè)層面的成型，光源多為L(cháng)ED紫外光源，每層曝光圖形由數字動(dòng)態(tài)掩模芯片等空間光調制器生成。

優(yōu)點(diǎn)：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。

缺點(diǎn)：材料范圍受限、材料性能較弱。

三、定向能量沉積型

Directed energy deposition

利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于構建或修復現有結構。其過(guò)程為，激光束等能量源在沉積區域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，噴嘴將絲狀或粉末狀材料（如鈦和鈷鉻合金）送入高溫區被加熱至熔點(diǎn)，熔化后逐層沉積。噴嘴或工作臺安裝在高度可移動(dòng)的臂上，從而能夠高度靈活地移動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需支撐、加工靈活性高、可以實(shí)現構件的高效率制備和修復。

缺點(diǎn)：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修復結構復雜的零件。

四、材料噴射型

Material jetting

2D噴墨打印機的三維進(jìn)化版。材料噴射可分為連續材料噴射（Continuous material jetting, CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其基本原理是使用帶電偏轉板和電磁場(chǎng)，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺上，并利用紫外光源進(jìn)行固化成型。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數百個(gè)微小液滴，而SLA則是在整桶樹(shù)脂中，通過(guò)激光選擇性地逐點(diǎn)固化。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。

優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現高度精準的全彩快速打印，增加原型和最終部件美學(xué)質(zhì)量。

缺點(diǎn)：材料范圍有限、價(jià)格昂貴、需要后處理以去除多余的材料。

五、粘合劑噴射成型

Binder Jetting

也稱(chēng)微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP），是通過(guò)粘合劑噴射來(lái)實(shí)現粉末成型。主要過(guò)程是將陶瓷或聚合物等粉末狀材料裝入容器中，使用噴墨打印頭將粘合劑噴射至粉末中，如同沙子與水混合會(huì )形成更堅固的結構，一層粉末會(huì )在選擇區域內發(fā)生粘合，重復這個(gè)過(guò)程，下一層粉末會(huì )與上一層粉層通過(guò)粘合劑的滲透結合為一體，從而層層堆疊成型。當使用材料是金屬和陶瓷材料時(shí)，需要通過(guò)高溫燒結去除粘合劑并實(shí)現粉末顆粒間的冶金結合，使成品具有一定的強度與密度。

優(yōu)點(diǎn)：成型效率高，可同批次打印不同顏色，無(wú)需支撐結構。

缺點(diǎn)：粗糙度大、成型件致密度較低，對于金屬和陶瓷等需脫脂燒結等后處理工藝，對于聚合物可能需要添加蠟等以增加結構強度。

六、粉末床熔融成型

Powder bed fusion

這是另一種基于粉末床的方法，主要用于金屬部件的打印制造。與前面所述的打印方法不同，粉末床熔融不涉及沉積粘合劑來(lái)實(shí)現打印，主要代表有選擇性激光燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）和電子束選區熔化（Electron-beam selective melting, EB）等。粉末床熔融的過(guò)程大體為，使用鋪粉輥將存放在料斗和貯料器內的粉末材料均勻地涂覆在打印平臺表面上，在真空環(huán)境下，利用高功率激光或電子束等高能束來(lái)熔化和燒結粉末，使之結合在一起，隨后再涂覆一層粉末進(jìn)行下一層燒結，直至形成整個(gè)實(shí)體。其中，電子束選區熔化會(huì )對粉末床進(jìn)行預熱，整個(gè)腔室溫度最高可達上千度，極大程度降低成形零件的殘余應力；SLS需要添加額外的粘結劑，如低熔點(diǎn)金屬或者樹(shù)脂材料等。

優(yōu)點(diǎn)：精度高，可打印金屬（如鈦、鋁、銅、不銹鋼和高溫合金等）、陶瓷和尼龍等多種材料。

缺點(diǎn)：成本高，在打印大尺寸物體時(shí)容易發(fā)生翹曲，速度較慢。

七、片材層壓型

Sheet lamination

將材料進(jìn)行激光切割后以粘結劑或焊接的方式結合在一起形成實(shí)體。與上文列出的其他工藝方法均不同，片材層壓打印技術(shù)可用材料除了金屬板，甚至還有紙等幾乎其他任何可以卷曲的材料。片材層壓主要包含分層實(shí)體制造（LOM）和超聲波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing, UAM）等。LOM是利用膠水將多層紙粘合并用鋒利的刀切割，無(wú)需加熱或熔化。每張紙的切割方式略有不同。UAM是使用超聲波焊接機來(lái)粘合金屬片或金屬帶，每個(gè)金屬層都被軋制在生長(cháng)的結構上，最大的技術(shù)優(yōu)勢是低溫，適用于對溫度敏感的低熔點(diǎn)材料。

優(yōu)點(diǎn)：成型速度快，精度高，翹曲變形校

缺點(diǎn)：層間粘接差，成型樣件結構強度存在明顯的各向異性，材料的利用率較低，只能制作簡(jiǎn)單結構部件。

應用實(shí)例

在科研及產(chǎn)業(yè)界大量研發(fā)投入的驅動(dòng)下，3D打印對制造業(yè)的升級能力以創(chuàng )新為宗旨，從應用端的引入深度和廣度切入，為各下業(yè)進(jìn)行價(jià)值賦能和創(chuàng )造革命，覆蓋領(lǐng)域包括航天軍工、汽車(chē)船舶、能源動(dòng)力、生命醫療、文化創(chuàng )意和建筑等。



圖3：深藍火箭試驗飛行

在航空和能源領(lǐng)域，近期，美國Arris Composites合作在3D打印碳纖維復合材料市場(chǎng)發(fā)力批量制造，打造輕量型客艙支架；索爾維與OEM 9T Labs合作將3D打印碳纖維增強塑料部件引入量產(chǎn)，用于生產(chǎn)航空、自動(dòng)化和石油天然氣等行業(yè)所需的中小尺寸零部件。

回顧國內，3D打印產(chǎn)業(yè)在《中國制造2025》的引導下迎來(lái)高速發(fā)展契機，正助力國內商業(yè)火箭的快速發(fā)展。2021年2月，重慶壹零空間首次采用3D打印姿控動(dòng)力系統產(chǎn)品飛行，2021年7月，由3D打印制造發(fā)動(dòng)機的深藍航天液體火箭低空垂直回收飛行試驗成功?？梢?jiàn)3D打印已催生火箭制造的新賽道，并逐漸成為火箭制造過(guò)程中的重要支撐技術(shù)。

在制造醫療假體方面的發(fā)展則不僅僅局限在骨科、假耳等，還包括眼部假體，2021年11月，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫研究所在3D打印假眼臨床應用方面的突破表明3D打印制造醫療假體的商業(yè)化趨勢。

相信隨著(zhù)需求的不斷挖掘、政策的持續引導和行業(yè)標準的逐步規范化，3D打印應用的廣度和深度將進(jìn)一步加速拓展。



圖4：3D打印仿生眼球

3D打印技術(shù)從1980s誕生至今只有短短三十多年，卻正在引領(lǐng)世界性的制造業(yè)革命。作為“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿(mǎn)足了定制與大規模生產(chǎn)的要求，并在眾多領(lǐng)域展現出無(wú)限的創(chuàng )造性。3D打印產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入成長(cháng)期，預計到2026年全球3D打印產(chǎn)值有望達到372億美元，全球競爭已拉開(kāi)序幕。但如何實(shí)現精密化、智能化、通用化和便捷化是擺在3D打印技術(shù)面前的重要課題，期待在其不斷完善與精進(jìn)的路上能夠為未來(lái)智能制造帶來(lái)里程碑式的變化。