3D打印技术及其应用

-18- 第29卷 第1期 苏州市职业大学学报 Vol.29，No.1 2018年3月 Journal of Suzhou Vocational University Mar.，20183D打印技术及其应用陈雪芳，孙春华(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)摘  要：3D打印技术作为一项前沿性的先进制造技术，正快速改变人们的生产生活，并在工业、生物医学、文化创意、建筑等领域发挥着重要的引领作用。本研究阐述了3D打印的原理、主流工艺和特点，并关注了其应用和发展趋势。关键词：3D打印技术；主流工艺；技术应用；发展趋势中图分类号：TP29文献标志码：A文章编号：1008-5475(2018)01-0018-083DPrintingTechnologyandItsApplicationCHENXuefang，SUNChunhua(SchoolofMechano-elecricalEngineering，SuzhouVocationalUniversity，Suzhou215104，China)Abstract： Asacutting-edgeadvancedmanufacturingtechnology，3Dprintingtechnologyisrapidlychangingourproductionandlife.Itplaysleadingroleinindustrial，biomedical，cultural，architectualfields.Thispaperexpoundstheprinciple，mainstreamtechnologiesandfeaturesof3Dprinting，andpayscloseattentiontoitsapplicationanddevelopmenttrend.Keywords：3Dprintingtechnology；mainstreamtechnologies；technologicalapplication；developmenttrend3D打印(3Dprinting)技术是20世纪80年代后期诞生的一种新型数字制造工艺技术，又称“增材制造”(additivemanufacturing)“材料累加制造”(materialincreasemanufacturing)“分层制造”(layeredmanufacturing)“实体自由制造”(solidfree-formfabrication)等[1]。“增材制造技术”“快速成形技术”“快速制造技术”的提法主要应用在学术领域，外界普遍认可“3D打印”的提法，因为更加浅显易懂。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该技术的特点。3D打印技术是近30年来世界制造技术领域的一次重大突破，被视为推动人类第三次工业革命的新技术[2]。这种“新”科技，早在20多年前就已经在工业和大众消费领域开始应用，只是应用面比较窄，一直没有引起社会的广泛关注。在2012年全球经济低迷的大背景下，美国总统奥巴马、英国《经济学人》杂志、里夫金教授等都成了3D打印技术的重要“推手”，让全世界意识到以“3D打印”为核心的前沿性、前瞻性制造技术，将充当拯救世界经济的“先锋”，使人们重新对未来充满无限期待。自此，3D打印技术迅速吸引了全世界的眼球。近年来，3D打印正快速地走进人们的生产生活，已经发展出包含多种功能、多种材料、多种应用的许多工艺，在功能上已从早期的模型打印向批量定制发展，尤其是直接金属成形和功能性工程塑料熔融挤压成形工艺的出现，使3D打印技术真正具有了制造最终产品的功能，显示出广阔DOI：10.16219/j.cnki.szxbzk.2018.01.004收稿日期：2017-11-10；修回日期：2017-11-28基金项目： 苏州市数字化设计与制造技术重点实验室(SZS201009)；“十二五”江苏省高等学校重点教材建设项目；苏州市职业大学在线开放课程建设项目(SZDKC-16016)作者简介： 陈雪芳(1963-)，女，江苏常州人，教授，硕士，主要从事CAM与RE/RP快速成形研究。引文格式： 陈雪芳，孙春华.3D打印技术及其应用[J].苏州市职业大学学报，2018，29(1)：18-25.-19-2018年第1期的应用前景。3D打印是一项颠覆性的创新技术，支持产品的快速开发，引领生产模式的变革。在未来的智能制造产业中，3D打印将同各种新兴的高科技一起，打造出未来个性化制造的智能工厂，为客户提供基于3D打印生态系统的分布式制造产业模式。虽然3D打印技术能打印出多种产品，是传统生产方式的一次重大变革和有益补充，但不能替代传统的生产方式。1  3D打印技术原理及特点1.1  3D打印技术原理从制造方式上看，制造技术分为三类：等材制造(铸锻焊成形)、去材制造(车铣刨磨切削加工)、增材制造。3D打印属于增材制造技术，是基于计算机三维设计模型，通过分层软件离散成每一层面的信息数控，利用激光束、电子束等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层固化，每固化一层，工作台下降一个距离(层厚)，层层堆积直至完成三维实体成形。3D打印流程如图1所示。1.2  3D打印的特点和优势1)技术应用广泛性。3D打印可以打印多种材料、任意复杂形状、任意批量的物体，可以应用于航空、航天、军事、工业、生活等领域。2)产品结构复杂性。3D打印技术由于采用分层制造工艺，可以制造复杂的中空结构，不存在“伸不进，够不着”、刀具干涉等问题。从理论上讲，可以制造具有任意复杂形状的原形和零件。3)无设计约束。设计者在设计过程中很少甚至不用考虑制造工艺，任意复杂结构、创新结构、免组装结构的设计，都可在一台设备上快速而精确地制造出。可真正实现自由设计，所想即所得。4)制造精简化。3D打印可以将多个零件组装起来的产品一次打印出来，大大简化了加工工序，降低了制造和装配成本，同时省去了中间环节的人力、物力成本。5)制造零技术。3D打印技术的零约束，彻底消除了“技术盲”和“技术帝”之间的差别。因此，3D打印技术为“大众创业，万众创新”提供了很好的技术支撑，展现了全民创新的通途。6)产品开发快速。3D打印由CAD设计数据直接驱动，不需要模具、铸件、夹具和刀具，没有机械加工所需要的一道道工序，从三维数字模型到实物产品只需要几十分钟或者几十个小时。7)凸显个性化的需求。3D打印特别适合个性化医疗和高端医疗器械，如人工骨、手术模型、骨科导航模板等。[3]2  3D打印工艺3D打印技术经过几十年的发展与不断改进，已经从最早的光固化成形，发展出熔融沉积制造、选择性激光烧结、三维喷涂粘结等二十多种不同的成形工艺和方法，而且新工艺和新方法不断地呈现。无论何种成形工艺，都是基于“增材”制造的原理，只是使用的材料种类、材料状态以及每层轮廓的堆积方法不同。下面以几种主流的3D打印工艺为例，阐述其区别和特点[4-5]。2.1  固化成形工艺光固化成形(stereolithography，SL)，有时简称SLA(stereolithographyapparatus)，也常被称为立体光刻成形、立体印刷成形，该工艺是固化成形典型工艺之一，是最早发展起来的一种3D打印技术。也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的3D打印技术之一。打印材料为液态的光敏树脂，由激光光斑点、线填充扫描，形成树脂固化层，然后层层累加，形成实体模型。光固化成形和其他成形相比，具有成形件精度高，表面质量好，后处理工艺简单等特点。由于该技术是激光点线扫描固化，速度不是很快，每个层面存在没有完全固化现象。在SLA成形技术上置入目前很流行的面投影技术，形成了光固化成形的图13D打印流程CAD实体模型Z向分层CAD模型分层数据文件离散过程，计算机处理后处理零件实体层层制造堆积造形堆积过程，成形机实现陈雪芳等：3D打印技术及其应用-20-第29卷 苏州市职业大学学报直射光处理工艺DLP。DLP技术与SLA相似，SLA技术是点到线、线到面逐渐固化成形的过程，DLP技术主要利用D投影原理，根据每个截面形状，将整个面的激光聚焦到3D打印材料表面。每次成形一个面，一层层对液态聚合物进行固化，所以DLP技术的机型打印速度更快。2.2  熔融成形工艺熔融沉积制造(fuseddepositionmodeling，FDM)也称熔融挤出成形，是应用最广泛的成形工艺之一。丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细孔的喷头挤压出来，有选择性地喷在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓，通过材料的层层堆积最终形成三维实体模型。打印原理象挤牙膏，机械结构简单，无需激光系统，设备价格低，原材料成本低、利用率高，可选多种材料。单一成形材料一般为ABS及医用ABS、PLA、石蜡、尼龙PC、PPSF等，也可以打印复合材料的零件，如采用低熔点的蜡或塑料熔融丝与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、玻璃等混合。因此，桌面级3D打印机是用得最多的工艺。FDM成形过程有支撑，打印完毕要剥离。成形件的表面有较明显的条纹，需要配合后处理抛光，不适合对精度要求较高的应用场合。2.3  烧结成形工艺选择性激光烧结(selectedlasersintering，SLS)，又称为选区激光烧结、粉末材料选择性激光烧结等。首先把薄薄的一层粉末均匀地铺在工作台上，计算机根据数模切片的层面信息控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面，工作台下降一个层厚，再铺上一层新粉，激光按照数模的下一层数据信息进行选择地烧结固化，如此往复循环直至形成三维实体模型。SLS最突出的优点在于它所使用的成形材料十分广泛，打印材料有陶瓷粉、高分子粉末、蜡粉、金属粉末及其他的复合粉末材料。采用该技术不仅可以打印出精确的实物模型，还可以打印金属件作为直接功能零件直接使用。由于金属件的打印常采用一种金属材料和另一种低熔点材料(低熔点金属或者有机粘结材料)的混合粉末，在加工的过程中低熔点的材料熔化，但高熔点的金属粉末不熔化，因此实体存在孔隙，密度低、拉伸强度差、表面粗糙高等工艺缺陷，要使用这种技术还要经过高温重熔[6-7]。在选择性激光烧结SLS技术基础上，发展起来的另一种金属成形技术—选区激光熔化(selectivelasermelting，SLM)，又称直接金属激光熔结(directmetallasersintering，DMLS)。SLM与SLS采用的粉末类型不同，SLM工艺采用普通单一成分粒径在30μm左右的超细粉末为原材料，其层厚一般为20～100μm，并且使用光斑很小的激光束，实现“净成形”的材料加工新理念，该技术在钛合金、铝合金、高温合金、结构钢、不锈钢等材料上都有成功应用。2.4  粘结成形工艺三维打印(threedimensionalprintingandgluing，3DP)工艺与SLS工艺成形原理类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末、石膏粉末等。所不同的是材料粉末不是通过烧结来粘接的，而是喷头用黏结剂喷射在模型分层所得的每一层截面上。打印速度较FDM和SLA快，打印时没有粘结的粉末就是支撑，特别适合于内腔复杂的原形；如果使用彩色黏结剂及多喷头系统，可实现彩色立体打印，这是该工艺最具竞争力的特点之一。目前该技术用于打印彩色人像等石膏模型、彩陶工艺品。由于仅靠黏结剂将粉末材料粘结在一起，强度韧性相对较低，通常只做样品展示或者概念模型，无法做功能零件。喷涂粘结陶瓷粉或金属粉，需后续烧结制造陶瓷制品和金属制品。2.5  片材层压工艺分层实体制造(laminatedobjectmanufacturing，LOM)或叠层实体制造。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割一层送上新的一层纸并叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维实体。因此成形模型无内应力、无变形，成形速度快、不需支撑、成本低廉，适合于制作大中型原形件，