201422070126-張樂鋒-3D打印技術(shù)最新進(jìn)展綜述

1、3D打印技術(shù)最新進(jìn)展綜述（張樂鋒 201422070126）摘 要：3D打印技術(shù)是以數(shù)字化、人工智能化及新型材料應(yīng)用為特征的生產(chǎn)制造方式，近年來該新興技術(shù)得到了較快發(fā)展，給我們帶來的變革不可估量，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命”的主要標(biāo)志之一。本文簡(jiǎn)要介紹了3D打印技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)體系和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹其不足。關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；智能制造；個(gè)性化定制1. 引言最近一段時(shí)間以來，3D打印概念進(jìn)入了人們的視線，并引起了無數(shù)發(fā)展遐想。有人把“3D打印技術(shù)”看作是“第三次工業(yè)革命”的主要標(biāo)志之一，因?yàn)樗鼛Ыo我們的各領(lǐng)域的變革可預(yù)估。這在一定程度上類似于當(dāng)年網(wǎng)絡(luò)概念的出現(xiàn)，開始人們根本無法想象網(wǎng)絡(luò)

2、時(shí)代的來究竟會(huì)給人類帶來何種變化，直到這種概念成為現(xiàn)實(shí)，才知道這種變化是翻天覆地的。只要夠設(shè)計(jì)出來任何我們需要的產(chǎn)品，就能夠通過3D打印技術(shù)打印出來。2. 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 基本原理3D打印始于上世紀(jì)90年代，基本原理是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個(gè)東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印則是一片一片地打印，然后疊加到一起，成為一個(gè)立體物體。3D打印機(jī)就是可以“打印”出真實(shí)3D物體的一種設(shè)備，功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體，與傳統(tǒng)的去除材料加工技完全不同。稱之為“打印機(jī)”是參照了其技術(shù)原理，因?yàn)榉謱蛹庸さ倪^程與噴墨打印十分相似。3D打印機(jī)

3、又叫快速成型機(jī)，3D打印機(jī)可支持多種材料，較為普遍的有樹脂、尼龍、石膏、塑料等可塑性較強(qiáng)的材料，全球最大最貴的3D打印機(jī)，可以用激光燒結(jié)直接制造復(fù)雜的塑料、金屬和合金元件。2.2打印程序3D打印技術(shù)的程序是：首先要在電腦屏幕上設(shè)計(jì)出所要打印物品的藍(lán)圖，然后設(shè)計(jì)出形狀以及顏色，最后按下打印按鈕即可。你可以看到附近的一臺(tái)帶有噴嘴的機(jī)器，將你需要的物品慢慢打印出來2.3 3D打印技術(shù)的幾種主要類型（1）熔融沉積成型（FDM）熱塑性材料按照CAD文件中定義的刀具路徑，被逐步液化并通過擠壓頭沉積在對(duì)應(yīng)位置，從噴嘴擠出后的材料會(huì)立即硬化，最終使噴出的材料形成層狀結(jié)構(gòu)，層厚約為0.04mm。該技術(shù)使用的材料

4、主要有熱塑性塑料、共晶系統(tǒng)金屬和可食用的材料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物、聚乳酸纖維（PLA）、聚碳酸酯、蠟等。（2）粉末層噴頭打印（3DP）待打印的部件由類似于噴墨頭的打印頭在粉末層上移過時(shí)，按照CAD數(shù)據(jù)所給出的橫截面的形狀用液體黏結(jié)粉末材料進(jìn)行選擇性的沉積，打印完一層后，新的粉末層將覆蓋在該模型的頂部，并重復(fù)該過程。當(dāng)模型制作完成后，未使用的粉末會(huì)被自動(dòng)清除。（3）直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）采用逐層構(gòu)建的方式，使用局部聚焦激光束使金屬粉末熔化“焊接”，各層的厚度通常為20m。目前該技術(shù)使用的材料主要有17-4和15-5不銹鋼、馬氏體鋼、鈷鉻、鎳625和鎳718、鈦合金T

5、i6Al4V。（4）電子束熔化（EBM）從三維CAD模型中讀取數(shù)據(jù)，并將金屬粉末材料放到連續(xù)層上，利用計(jì)算機(jī)控制的高真空中的電子束使這些層熔化在一起而建立部件。一般在7001000的高溫下操作，打印的層厚范圍為0.050.2mm。利用該技術(shù)制造的產(chǎn)品非常致密且強(qiáng)度高。目前EBM技術(shù)使用的材料是鈦合金。（5）選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用單組分或雙組分的微小材料粒子，使用高功率激光（如二氧化碳激光）逐層選擇性地融化表面的粉末材料，最后形成所需要的三維形狀。SLS技術(shù)可使用的材料包括聚合物材料（如尼龍或聚苯乙烯）、金屬材料（如鋼、鈦、合金的混合物）、復(fù)合材料和綠砂等。處理過程可以是完全熔化、部分熔融

6、或液相燒結(jié)。（6）選擇性熱燒結(jié)（SHS）SHS機(jī)的工作過程與SLS機(jī)類似，不同的是，SHS機(jī)使用的是熱敏打印頭，而非激光打印頭。熱敏打印頭將熱量供給構(gòu)建室中的熱塑性粉末層，即可形成任意復(fù)雜的幾何形狀。其每層的厚度為0.1mm，使用的材料為熱塑性粉末。（7）其他3D打印技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)有許多新的3D打印技術(shù)出現(xiàn)，如數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)，其原理與DLP投影機(jī)的技術(shù)相同，其制造過程與立體光刻（SLA）技術(shù)類似，但是由于其能生產(chǎn)出較高精度的產(chǎn)品，因此價(jià)格也貴很多。還有與DLP類似的技術(shù)，如使用發(fā)光二極管（LED）來固化樹脂的3D打印技術(shù)，采用雙光子的光聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)超小型3D打印的技術(shù)

7、，使用紙張或卡片粘在一起，然后用激光切割來實(shí)現(xiàn)的分層實(shí)體制造技術(shù)等。3. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3.1國(guó)內(nèi)發(fā)展情況中國(guó)于2012年10月成立了中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2013年12月11日，中國(guó)3D打印研究院在南京成立。技術(shù)方面，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)出多種系列的3D打印機(jī)，部分技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面有一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到0.2mm中國(guó)科技大學(xué)

8、自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。3.2國(guó)外發(fā)展情況2013年11月，美國(guó)德克薩斯州的Solid Concepts公司用金屬粉末制造并測(cè)試了世界上第一支3D打印的金屬手槍，這支以經(jīng)典的M1911為模型打印的手槍組成元件超過30個(gè)，包括不銹鋼和一些特殊合金材料，經(jīng)過50次發(fā)射測(cè)試，射擊距離超過27米，與常規(guī)武器同樣精準(zhǔn)2013年8月，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA對(duì)用3D打印技術(shù)制作出的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器進(jìn)行了成功測(cè)試?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴射器是火箭生產(chǎn)中最昂貴的組件之一，通過使用金屬3D打印技術(shù)的工藝，成本能夠減少70%以上，并且極大縮短開發(fā)時(shí)間。NASA還計(jì)劃2014年8月

9、將3D打印設(shè)備送上國(guó)際空間站，幫助宇航員在零重力的情況下制造復(fù)雜零件和所需工具，修復(fù)受損的齒輪，甚至是組裝納米衛(wèi)星。3.3 在軍事領(lǐng)域的發(fā)展在軍事領(lǐng)域，美軍通過3D打印技術(shù)來減輕裝備保障壓力和士兵的負(fù)擔(dān)。今年1月7日，美軍快速裝備部隊(duì)（REF）將其第二個(gè)移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室（ELM）部署到戰(zhàn)區(qū)，該實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)20英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，其中裝備了3D打印機(jī)、計(jì)算機(jī)輔助銑削機(jī)、激光切割器、等離子切割器和水刀等。此外，該實(shí)驗(yàn)室還包含發(fā)電機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)及衛(wèi)星通訊設(shè)備，可通過卡車或直升機(jī)運(yùn)送至任何地點(diǎn)，根據(jù)需要選擇鋁、塑料、鋼材等不同材料，快速打印出各種裝備、物資或零部件，補(bǔ)充作戰(zhàn)消耗，修復(fù)受損裝備，從而增強(qiáng)美軍單

10、兵作戰(zhàn)、戰(zhàn)區(qū)巡邏及小型前線作戰(zhàn)基地的可持續(xù)作戰(zhàn)能力。3.4 3D打印技術(shù)的前沿成果德國(guó)科學(xué)家日前利用3D立體打印技術(shù)成功研制出了一種人造血管。該項(xiàng)研究成果將有望被用于人體試驗(yàn)和藥物測(cè)試。隨著生物醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家們已經(jīng)成功制造出了人造腸道和人造氣管等小型人體器官。但大型人造器官的制造卻頻頻遭遇瓶頸，其主要原因是缺乏制造毛細(xì)血管的相應(yīng)技術(shù)，進(jìn)而不能給大型人造器官輸送必要的養(yǎng)料，也就不能維持其正常存活和運(yùn)行。經(jīng)過多年的不懈探索，這一難題現(xiàn)在已經(jīng)被德國(guó)弗勞霍夫研究所的科學(xué)家們攻克。他們運(yùn)用化合高分子材料結(jié)合能夠有效抵抗排異反應(yīng)的生物分子制作出了一種特殊的“印刷墨水”，其印制出來的物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反

11、應(yīng)后能夠形成一種有彈性的固體，方便科學(xué)家根據(jù)人類血管構(gòu)造將其雕塑成3D立體人造血管。實(shí)際上，3D立體打印技術(shù)的精細(xì)度十分驚人。為了制造出相似度最高的人造血管，科學(xué)家還運(yùn)用了雙光子聚合技術(shù)，利用鐳射光刺激人造血管材料分子交聯(lián)化，之后將成形的血管植入細(xì)胞內(nèi)壁。據(jù)悉，此項(xiàng)研究成果將有力推動(dòng)大型人體器官的制造。雖然移植人造器官的夢(mèng)想還很遙遠(yuǎn)，不過人體器官制造技術(shù)的飛速發(fā)展可以給人類醫(yī)學(xué)研究帶來更有效、更人道的實(shí)驗(yàn)手段，譬如研發(fā)新藥物時(shí)用人造器官取代動(dòng)物來做實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)1 柯白瑋第三次產(chǎn)業(yè)革命N東方早報(bào)上海經(jīng)濟(jì)評(píng)論，20120529：52 李大光3D打印或帶來武器變革N北京日?qǐng)?bào)，20130508：73 王雪瑩3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析J中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012，(26)：354 張炎炎，李大光3D打印技術(shù)將引起武器裝備發(fā)展變革J武器裝備，2013(7)：54555 翟明明，趙永朋裝備軍地一體化維修保障探析J裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2