解密3D打印

3D打印技术是一项颠覆性的制造技术，如今，其已覆盖了制造、医疗、学术、航空航天、军事等多个领域，下面让我们一起来走近3D打印技术，解开其发展的奥秘吧。

技术进展

3D打印技术的历史并不长。1984年，查尔斯？赫尔研发了3D打印技术。1986年，该技术获得了专利，查尔斯？赫尔将其命名为立体光刻技术，并成立了3D Systems公司，开发了第一台商用3D打印机。

1987年，DTM公司（现在为BF Goodrich公司的附属公司）开发了选择性激光烧结（SLS）技术，并且进行了商业化应用。

1988年，3D Systems公司开发出SLA-2502设备，并向公众出售。同年，斯科特·克伦普研发了熔融沉积成型（FDM）技术，并于1989年成立了Stratasys公司。

1991年，Helisys公司售出了第一台分层实体制造（LOM）系统。

1992年，Systems公司售出了首批基于FDM的“三维建模”机器。同年，DTM公司售出了第一台SLS系统。

1993年，麻省理工学院获得了“三维打印技术”的专利，该技术类似于二维打印机中使用的喷墨印刷技术。

1995年，麻省理工学院研发了粉末层和喷头3D打印（3DP）技术，Z公司从麻省理工学院获得了独家使用“三维打印（3DP）技术”的授权，并在三维打印技术的基础上开发了3D打印机。

1996年，3D Systems公司推出“Actua 2100”快速成型机。同年Stratasys公司推出“Genisys”，Z公司推出“Z402”，第一次使用了“3D打印机”的称谓。

1997年，EOS公司将三维立体系统业务出售给3D Systems公司，但其仍然是欧洲最大的生产商。

2005年，Z公司推出“Spectrum Z510”。这是市场上第一台高精度彩色3D打印机。

2006年，RepRap开放源码项目启动，其目的是开发一种能进行自我复制的3D打印机。

2008年，第一个版本的RepRap机推出，它可以打印约50%的该机的自身部件。同年，Objet Geometries公司宣布推出革命性的“Connex500”快速成型系统，这是有史以来第一个能够同时使用几种不同材料的3D打印机。

此后，许多生产厂商纷纷推出各种型号的3D打印机。其中值得一提的是，2011年9月，维也纳科技大学推出了世界上最小的3D打印机，重量只有1.5公斤，报价约为1200欧元；2012年，MakerBot个人3D打印机投放市场，其借鉴了RepRap三维打印技术，价格合理，可家用。

技术分类

3D打印技术是使用叠层制造技术来制造产品的，早期的3D打印技术被称为快速成型技术，即在计算机的控制下，用三维图形表示的产品会被分解成由许多横截面构成的二维层，打印机在接收到这些产品数据后，采用逐层构建的方式“打印”产品，每层的接合采用熔化和沉积等技术来实现。当层构建处理结束后，用户便可以取出产品并立即使用。使用这种方式生产的产品可以是最终成品也可以是零部件。

与普通工业产品生产中材料需要经过切割、钻孔、铣削等“消减”过程不同，3D打印所构建的物体是从零开始的，每层都要添加材料才能形成三维物体，因此其也被认为是“添加”的过程。根据使用材料的不同，3D打印的材料添加技术和凝结技术也有所不同。具体而言，3D打印采用的主要技术如表1所示。

3D打印虽然可采用不同的技术来实现，但是每种快速成型过程都是从CAD（计算机辅助设计）系统开始的。在CAD系统中，所设计的产品是用三维模型表示的，该模型被翻译成一个通用的STL文件（立体光刻文件格式）。将STL文件导入CAM（计算机辅助制造）系统中，原三维模型就被切成薄层，其中每一层代表3D打印成型过程中的一个步骤。CAM系统再根据所使用的材料、成型路径和制造参数建造原型。随后，3D打印机利用从CAM系统导入的数据来执行制造过程。

1.熔融沉积成型（FDM）

FDM技术是由Stratasys公司研发的软件实现的。该软件能在几分钟内处理STL文件、数学切片和构建定向模型。如果需要，其还能自动生成产品的支撑结构。该技术使用两种材料，一种用作模型构建，另一种用作一次性的支撑结构。

FDM技术的工作过程如图1所示。其中，1表示喷嘴喷出熔化的塑料，2表示沉积的材料（成型部分），3表示控制活动工作台。采用FDM技术时，热塑性材料会按照CAD文件中定义的刀具路径，被逐步液化并通过挤压头沉积在对应位置，从喷嘴挤出后的材料会立即硬化，而挤压喷嘴直接受CAM系统控制，并通过一个数控机构实现水平和垂直方向的移动，最终使喷出的材料形成层状结构，层厚约为0.04mm。

该技术使用的材料主要有热塑性塑料、共晶系统金属和可食用的材料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物、聚乳酸纤维（PLA）、聚碳酸酯、蜡等。选择材料时，应充分考虑材料的生产温度要求和产品的强度要求等。

2.直接金属激光烧结（DMLS）

DMLS是一种使用金属材料的3D打印技术，由德国EOS公司开发。该技术可根据实体的三维模型创建STL文件并发送给相应的软件。技术人员使用实体的三维模型可以正确地定位构件部分的几何图形，并为其添加适当的支撑结构。一旦完成这种“构建文件”，并下载到DMLS机，便可以开始“三维复制品”的构建了。这项技术采用金属粉末，并通过使用局部聚焦激光束使其“焊接”。各部分的构建是通过一层一层地添加形成的，各层的厚度通常为20μm。

DMLS机采用200W高功率的镱光纤激光器，在其构建区，有1个材料分配平台、1个构建平台，以及1个用于在构建平台上移动粉末的涂覆刀片。DMLS机生产的零件精度高，细节分辨率好，有良好的表面质量和优异的机械性能。

从理论上讲，几乎任何金属合金都可用于DMLS机打印，但目前该技术使用的材料主要有17-4和15-5不锈钢、马氏体钢、钴铬、镍625和镍718、钛合金Ti6Al4V。

3.电子束熔化（EBM）

EBM技术是一种用于制造金属零件的快速制造方法，由瑞典Arcam AB集团研制。该技术通过高真空中的电子束来熔化金属粉末层，从而制造产品。

EBM机从三维CAD模型中读取数据，并将粉末材料放到连续层上，利用一个计算机控制的电子束使这些层熔化在一起而建立部件。整个过程是在真空环境中进行的，因而避免了活性材料熔融时出现氧化等现象。EBM机一般需要在700～1000℃的高温下操作，打印的层厚范围为0.05～0.2mm。

利用该技术制造的产品非常致密，没有空隙且很结实。目前EBM技术使用的材料是钛合金，因此其非常适于在医疗植入、航空航天等对产品性能有较高要求的领域。

4.选择性激光烧结（SLS）

SLS技术是一种使用高功率激光（如二氧化碳激光）的添加制造技术，其原理如图2所示。其是将很小的材料粒子融合成团块，形成所需要的三维形状。高功率激光根据三维数据（如制作的CAD文件或扫描数据）所生成的切面数据，选择性地融化粉末层表面的粉末材料，然后每扫描一个粉末层，工作平台就下降一个层的厚度，一个新的材料层又被施加在上面，这个过程一直重复至完成制造。

有些SLS机（如直接金属粉末激光烧结机）使用的是单一组分的粉末，但大多数SLS机使用的是双组分的粉末，通常是涂层粉末或粉末混合物。在使用单组分的粉末时，激光只熔化粒子的外表面（表面熔化）。

与其他添加制造方法相比，SLS技术使用的材料范围比较广，包括聚合物材料（如尼龙或聚苯乙烯）、金属材料（如钢、钛、合金的混合物）、复合材料和绿砂等。处理过程可以是完全熔化、部分熔融或液相烧结。根据材料的不同，该技术可实现高达100%的材料密度，制造的产品性能堪比传统制造工艺。在许多情况下，部件被包围在粉末层中，因此生产率非常高。与SLA技术、FDM技术等添加制造技术不同，SLS技术不要求支撑结构。由于SLS技术能够很容易地直接通过CAD数据制作出非常复杂的几何图形，因此其已在世界各地得到广泛应用。

5.选择性热烧结（SHS）

SHS机的工作过程与SLS机类似，不同的是，SHS机使用的是热敏打印头，而非激光打印头。热敏打印头将热量供给构建室中的热塑性粉末层，即可形成任意复杂的几何形状。其每层的厚度为0.1mm，使用的材料为热塑性粉末。

6.粉末层和喷头3D打印（3DP）

与许多3D打印采用的技术一样，粉末层和喷头3D打印也是一种根据数据所描述的三维物体而进行“添加”的制造技术。待打印的部件由该三维模型的许多薄的横截面构建而成。类似于喷墨头的打印头在粉末层上移过时，按照CAD数据所给出的横截面的形状用液体黏结粉末材料进行选择性的沉积，打印完一层后，新的粉末层将覆盖在该模型的顶部，并重复该过程。当模型制作完成后，未使用的粉末会被自动清除。这种技术通常被称作3DP。

7.分层实体制造（LOM）

LOM技术是由加利福尼亚州托兰斯的Helisys公司（现为Cubic Technologies公司）研发的。该公司在1991年就推出了第一台商业化的LOM系统。在该系统中，涂层纸、塑料或金属层压板的各个层先后粘在一起，并用刀子或激光切割机切割成形。

LOM系统的主要部件是送料机构、加热辊和激光器。送料机构用于将片材推送到构建平台上，加热辊施加压力将片材黏结到下一层上，再由激光切割每个片层部件的轮廓。其工作过程可分为层叠、黏结和切割3个步骤。如图3所示，激光切割形成层的轮廓，层切割完成后，该平台下降一段距离，该距离等于片材的厚度（通常为0.002～0.020英寸），另一片材被推送到先前黏结层的顶部，平台略微上升，加热辊施加压力黏结新的层，激光切割该层轮廓，重复这一过程，直到部件制造完成。各层切割完成后，多余的材料仍然放置，以支撑部件的构建。

LOM技术所要求的材料类型为固体片材，如聚氯乙烯、纸、复合材料（黑色金属、有色金属、陶瓷）等。

8.立体光刻（SLA）

SLA技术也称为光固化技术或立体平版印刷技术，其采用光致聚合的液体树脂作为材料，并用紫外线激光构建各个层，从而创建三维物体。

SLA的工作过程如图4所示，紫外线激光束通过检流镜驱动，扫描装有液体感光树脂的桶表面，激活聚合反应，树脂硬化形成三维物体的一个固体层。完成一层的构建后，平台将会下降单层厚度（通常为0.05～0.15mm）。然后，刀片扫过部件的横截面，为其涂上新的材料，在这个新的液体表面，再由激光束固化出随后一层的图案，合并到前一层。如此反复，就可形成一个完整的3D部件。

构建完成后，部件将被浸入化学药液中，以清洗掉多余的树脂，随后在紫外线烘箱内进一步完成产品的固化。

SLA技术需要使用支撑结构，以便将部件固定在升降台上，防止其因重力或刀片的侧向压力而偏转。

9.其他3D打印技术

随着计算机技术的发展，陆续有许多新的3D打印技术出现，如数字光处理（DLP）技术，其原理与DLP投影机的技术相同，其制造过程与立体光刻（SLA）技术类似，但是由于其能生产出较高精度的产品，因此价格也贵很多。

还有与DLP类似的技术，如使用发光二极管（LED）来固化树脂的3D打印技术，采用双光子的光聚合反应实现超小型3D打印的技术，使用纸张或卡片粘在一起，然后用激光切割来实现的分层实体制造技术等。