摘要：3D打印技术是当前新兴的一种比较前沿的科学技术，即增材制造。传统制造复杂繁琐、原料的利用率低，并且许多产品的内部复杂工艺无法加工，区别于传统的减削材料的制造方式，增材制造较为简单而高效，不需要繁重、庞大的机床，仅通过三维设计出结构轮廓，堆积叠加即可实现产品的制造，它完全不具有传统制造的这些缺点。3D打印的关键技术在于新材料、计算机辅助与制造。目前该技术受到世界各国、各学术界的高度重视，未来将会大放光彩。
关键词：3D打印；光固化；激光烧结
1. 3D打印概述
1.1 3D打印概念
所谓3D打印技术是指快速成型的增材制造，不同于传统的切削减材制造，它是利用计算机生成一定的数字模型，后利用粉末等碎材堆积成产品的一种制造方法。早在上世纪八九十年代，美国科学家就研究开发了一款3D打印机，自此之后，该技术便迅速成为人们青睐的制造技术，尤其在一些非金属制造领域，如手工艺品、珠宝、航天、医学等领域。3D打印最大的优势在于其实现方式的简便性，它不需要对材料进行复杂的工艺操作，只需要对其进行一定的数字建模，然后利用相关材料堆积即可，因此它可以轻松制造结构非常复杂的产品，但也是由于其减材制造的方式影响，目前它不能有效地进行金属材料的制造。
1.2 发展现状
国外对于3D打印技术的理论研究相对较早，技术较为完善。在3D打印行业中，成立于1986年美国公司3D Systems开发了世界上第一台３Ｄ打印机，并率先发明了立体平版印刷快速建模系统，是固体成像产品的顶级供应商。
而中国较西欧发达国家工业起步晚，3D打印技术的研究比美国、德国等国家要落后的多。在核心技术方面，我国的光学元器件领域的技术还与发达国家还有不少差距。但近年来，随着清华大学、北京大学等国内资深高校的不懈努力和积极探索，国内3D打印技术取得了初步的成功，与国外3D打印企业的差距正逐渐缩小。3Ｄ打印材料开发和成型技术的研究，随着选择性激光烧结等激光直接加工金属技术和光固化激光对液态树脂直接加工技术的迅速发展，３Ｄ打印基本满足了汽车制造和航空航天装备制造的精密要求，并逐步给服装、建筑、医疗领域注入活力。在建筑领域，通过3Ｄ打印制造建筑可大大降低了工人和有害材料接触的危险。在医疗领域，３Ｄ打印出的人造器官有助于弥补捐献器官短缺现象。3Ｄ打印技术的不断突破，大大地改变了人们的日常生活。虽然我国３Ｄ打印起步较发达国家起步晚，但其蓬勃发展的趋势日益凸显，相信我国在未来会取得更大成就。[1]
2．3D打印的技术实现
2.1 光固化3D打印快速成型技术
光固化成型方法是较早的一种3D制造方法，其基本原理是利用紫外光照射液态光敏树脂使其快速凝固成型，这种方法不仅精度高，产品表面质量好，而且对施工环境要求很低，不需要在专业的工厂中进行操作，也不需要任何的机械加工模具。
自从3D打印技术问世以来，光固化3D打印就在快速制造领域发挥了重要作用，成为了工程界关注的焦点。目前SLA在快速成型技术领域研究最为广泛，也是技术上最为成熟的办法。光固化3D打印技术经过截面扫描方式和树脂成形性能的不断改进，如今加工精度单层厚度最小可达到0.02～0.05mm。光敏树脂未固化成型前是液态材料，无颗粒感，制件表面质量非常高，较PLA材质的模型表面更加光滑。因其精度较高，表面质量好，能制造形状复杂的零件等特点，已能部分替代仪器仪表行业，与传统制造业形成互补，现在国内外正积极研发新光敏材料，使得SLA光固化成型在国内外普及越来越快。[2]
首先通过计算机辅助设计出三维实体概念模型。将该模型采用离散程序切片,设计了扫描路径。在树脂槽盛满液态光敏树脂，将可升降台处于液面下一个截面层厚的高度。用一定强度和频率的激光按照设计的扫描路径聚焦到液态光敏树脂表面，先以点的方式进行扫面，后以面的形式进行扫描，最后使得液态光敏化为轮廓上的一层树脂薄片。完成之后下降工作台，对其进行刮切操作，目的是为了将其均匀布于树脂薄片上。后利用激光束扫描新的树脂薄片使其固化，不断重复此过程，最后即可使得材料层层固化以实现增材制造。最后将工件进行清洗，打光、电镀、喷漆或灼热等处理即可得到要求的三维工件原型。
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光固化打印技术常常被用于航空航天中的风洞试验，通过快速的铸造、快速翻砂等操作即可实现一些复杂零件的制造。另外光固化技术还广泛应用于汽车发动机的流场分析中。
2.2 选择性激光烧结
选择性激光烧结SLS是一种利用高能激光烧结粉末材料成形的快速技术。SLS采用红外激光作为能源，通过激光扫描粉末床表面部件产生的横截面来选择性的烧结各层切面，使熔融的粉末材料凝固成型。激光烧结的材料来源较为广泛，如金属、蜡陶瓷粉末等材料均可作为激光烧结的对象。SLS能够轻松制作非常复杂的几何形状而广泛用于工业中，例如航空航天工业中，SLS频繁用于飞机原型的制造。
放眼当今，选择性激光烧结已经成为了电子化制造的关键技术。与其他快速成型技术相比，选择性激光烧结具有工艺比较简单、不需要支撑结构、精度高等优点，制备的部件，具有性能好、变形率低等特点，因而迄今为止选择性激光烧结广泛用于快速原型制造和零部件的批量生产。
首先用CAD软件根据产品的要求设计三维模型，将三维模型切片，使其离散成一系列层面，设计激光的扫描轨迹。在工作台上铺一层预热到一定温度的粉末材料，刮平。在计算机的控制下使用较高功率的激光器，根据截面信息，在刚铺好新层的粉末床表面选择性地熔化材料，使得塑料、金属或玻璃粉末熔化成单层零件截面。然后降低粉末层的厚度，并且在上部加入新的材料层，此时通过计算机让激光束根据分层信息对其进行选择性烧结，重复这一过程直至模型成型。
３.３Ｄ打印应用领域及优缺点
随着3D打印技术的不断进步和日益完善，3D打印技术逐步为建筑、医疗等行业充入源源不断的活力，甚至可以彻底颠覆传统的建筑、医疗行业。
3D打印技术首先被用于医学领域，这主要是因为人体骨骼等材料及其替代品非常适合于增材制造，使用3D打印可以轻松制造复杂的人体部件，如现在已经非常成熟的心脏瓣膜等。我们已进入一个移植器官过时的年代在全球范围内。以2012年科学家Faulkner Jones利用细胞打印出人体“肝脏”组织为标志，3D打印技术在现代医疗领域的应用也开始引起社会各界的广泛关注。2014年哈佛大学的科研团队利用3D打印技术成功将“血管”制造出来，这是人类首次用3D打印技术获得嵌在复合、排列好的细胞结构的功能性“血管”在关节外科领域，3D打印技术可以精确地进行手术方案的制定和手术的实施，也可以根据患者的具体情况“量身定制”假体，具有加工迅速和无需特殊模具的优点。制造假体的材料具有安全性和特殊性，保证了手术较高的成功率，极大幅度地降低了术后病症的发生率。在骨科领域，3D打印在骨科手术如畸形矫正、膝关节置换、椎弓根钉置入都有所应用，但涉及不大，主要用于骨科手术辅助材料的打印。对骨科手术本身来说3D打印辅助材料并不是一项颠覆性的技术。但是随着3D打印技术、医疗技术水平的逐渐提高，我国3D打印技术得到了有效进步，在医疗领域的应用范围也必定会逐步扩大。未来，将会实现活体组织和器官的3D打印，有助于人类疾病的深入研究。[3]
区别于传统制造的“减材制造技术”，3D打印则是一种“增材制造技术”。3D打印技术可以说颠覆了传统的建筑方式，首先它极大地 解放了劳动力，提高了制造的效率，其次从成本上来说，它可以使用许多现代复合材料代替传统的木材和钢筋混凝土等，除此之外，鉴于其增材制造的方式，它可以制造需要内部结构复杂的建筑群，这一点是传统制造很难做到的。而3D打印这种数字化的制造技术，它完全不具有传统制造的这些缺点。3D打印通过堆积叠加的方式实现制造，并借助计算机的辅助制造，仅依靠一个桌面尺寸的3D打印机就可满足设计者制造模型或零件的需要，把计算机上设计的产品概念图变为实际产品。与传统的切削制造相比，3D打印则解脱了庞大机床的束缚，无需任何模具和机械加工，提高了生产的效率，缩短了生产周期，简化了生产的制造过程。因其具有制造成本低、材料的利用率高、工序操作简单等优势，可制造出一些仅依靠传统生产技术无法制造出的产品。[4]
4.未来发展及展望
随着3D打印技术的不断成熟和广泛应用，人们的日常生活得到了较大的改善。在传统制造日渐疲软的状况下，3D打印技术伴随着新型材料将会为制造业带来新的血液，不仅仅是医疗建筑领域，增材制造将会从各个方面影响我们的生活，其前景十分广阔。
参考文献：
[1] 孙国栋. 3D 打印技术探究 [J].技术与应用 2012-1
[2] 胡嵩晗 胡媛茜. 3D 打印技术研究现状及技术探究 [J].科技展望 2017-9
[3] 张雨明，吴锐.我国3 D打印技术研究及产业化发展现状.[J].中国材料进展 2018-2
[4] 胡世明.论3D 打印技术在建筑设计领域的应用与发展，[J].实用技术. 2018-6
论文作者:任日翊
论文发表刊物:《科技新时代》2018年12期
论文发表时间:2019/2/18
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