3D打印是如何工作的？

　　撰稿 | 关耳（季华实验室）
　　还记得于2012年上映，成龙主演的电影《十二生肖》吗？其中一个片段以非常形象的手法展现了一种对三维兽首进行扫描并复制重现的未来技术概念—— 3D打印 。而在现实世界，科技前进的步伐是不可阻挡的。
　　我国在去年成功完成首次太空3D打印，对空间站在轨扩建和长期运行具有重要 意义。  近期， 某太空公司也宣称将利用这项技术来制造火箭的所有零部件并计划于2022年进行全3D打印火箭的发射。3D打印技术正展现出非凡的发展潜力与活力。
　　图1：3D打印技术
　　3D打印技术 又称 增材制造 （Additive manufacturing），是一种以数字模型文件为基础，将可粘合材料逐层叠加以构建现实三维物体的技术  。 作为＂决定未来经济的12大颠覆技术＂之一和第三次工业革命的引擎，3D打印标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，引发了新的技术革命浪潮。
　　与传统制造技术相比，3D打印技术具有＂去模具、减废料和降库存＂等特点，在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源，极大提高制造效率，实现＂ 设计引导制造 ＂的创新理念。
　　图2：通用3D打印流程
　　图源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
　　发展历程
　　纵观3D打印技术的发展史，最早可追溯至1984年由美国科学家Charles Hull发明的立体 光固化成型技术 （Stereolithography appearance，SLA）。随后又逐步发展出 选择性激光烧结 （Selective laser sintering, SLS）、 选择性激光熔化 （Selective laser melting, SLM） 、 微喷射粘结成型 （Three dimensional printing and gluing, 3DP） 等技术。
　　进入21世纪以来，3D打印技术有了全新的突破，全球正式进入3D打印的高速发展阶段，并在大类技术的细分下逐步涌现出了各式各样的革新式小类工艺，以满足特定行业需求，与传统制造业形成有效互补。
　　3D打印方法分类
　　根据国际标准化组织辖下增材制造技术委员会发布的 ISO/ASTM 52900: 2015标准， 3D打印工艺方案主要分为七大类 。
　　一、材料挤出型
　　Material extrusion
　　通过喷嘴或孔口等有选择地沉积材料。如 熔融沉积成型（Fused deposition modelling, FDM），是一种最为直观也最常见的打印方式。在打印时，设备将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有微细喷嘴的喷头将材料挤出并选择性地沉积在平台上，冷却后形成一层截面，这样逐层打印直至形成整个实体。打印材料主要为聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯弹性体TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。
　　优点：设备和耗材的价格低廉、材料范围广、打印产品强度高。
　　缺点：打印精度较低、打印样件表面粗糙度大。
　　二、光聚合成型
　　Vat photopolymerization
　　使用特定波长的光对液态聚合物进行选择性光固化。这类技术使用的材料是 光敏树脂 ，  在光照下树脂发生从液态到固态的形态转变，从而实现打印过程。根据光源类型、照射方式和成型方式的不同，可分为立体光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和数字光处理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印过程均不同。其中，SLA使用激光逐点扫描液态树脂面，点-线-面顺序固化以完成一个层面的成型，再配合成型平台的移动层层叠加构成三维实体。DLP则采用整面曝光进行一个层面的成型，光源多为LED紫外光源，每层曝光图形由数字动态掩模芯片等空间光调制器生成。
　　优点：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
　　缺点：材料范围受限、材料性能较弱。
　　三、定向能量沉积型
　　Directed energy deposition
　　利用聚焦热能熔化材料的即熔即沉积工艺。主要包括 激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和 电子束熔丝沉积（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于构建或修复现有结构。其过程为，激光束等能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，喷嘴将丝状或粉末状材料（如钛和钴铬合金）送入高温区被加热至熔点，熔化后逐层沉积。喷嘴或工作台安装在高度可移动的臂上，从而能够高度灵活地移动。
　　优点：无需支撑、加工灵活性高、可以实现构件的高效率制备和修复。
　　缺点：加工表面精度受限、成型样件需再加工（如配合铣床等）、难以修复结构复杂的零件。
　　四、材料喷射型
　　Material jetting
　　2D喷墨打印机的三维进化版。材料喷射可分为连续材料喷射（Continuous material jetting, CMJ）、纳米颗粒喷射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其 基本原理 是使用带电偏转板和电磁场，将喷射出的材料精确地定位在打印平台上，并利用紫外光源进行固化成型。材料喷射与上文中的立体光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次喷射出数百个微小液滴，而SLA则是在整桶树脂中，通过激光选择性地逐点固化。喷射的光敏液滴材料则包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。
　　优点：可实现高度精准的全彩快速打印，增加原型和最终部件美学质量。
　　缺点：材料范围有限、价格昂贵、需要后处理以去除多余的材料。
　　五、粘合剂喷射成型
　　Binder Jetting
　　也称 微喷射粘结成型 （Three dimensional printing and gluing, 3DP） ，是通过粘合剂喷射来实现粉末成型。 主要过程 是将陶瓷或聚合物等粉末状材料装入容器中，使用喷墨打印头将粘合剂喷射至粉末中，如同沙子与水混合会形成更坚固的结构，一层粉末会在选择区域内发生粘合，重复这个过程，下一层粉末会与上一层粉层通过粘合剂的渗透结合为一体，从而层层堆叠成型。 当使用材料是金属和陶瓷材料时，需要通过高温烧结去除粘合剂并实现粉末颗粒间的冶金结合，使成品具有一定的强度与密度。
　　优点：成型效率高，可同批次打印不同颜色，无需支撑结构。
　　缺点：粗糙度大、成型件致密度较低，对于金属和陶瓷等需脱脂烧结等后处理工艺，对于聚合物可能需要添加蜡等以增加结构强度。
　　六、粉末床熔融成型
　　Powder bed fusion
　　这是另一种基于粉末床的方法，主要用于金属部件的打印制造。与前面所述的打印方法不同，粉末床熔融不涉及沉积粘合剂来实现打印， 主要代表 有选择性激光烧结（Selective laser sintering, SLS）、选择性激光熔化（Selective laser melting, SLM）和电子束选区熔化（Electron-beam selective melting, EBSM）等。 粉末床熔融的过程大体为， 使用铺粉辊将存放在料斗和贮料器内的粉末材料均匀地涂覆在打印平台表面上，在真空环境下，利用高功率激光或电子束等高能束来熔化和烧结粉末，使之结合在一起，随后再涂覆一层粉末进行下一层烧结，直至形成整个实体。其中，电子束选区熔化会对粉末床进行预热，整个腔室温度最高可达上千度，极大程度降低成形零件的残余应力；SLS需要添加额外的粘结剂，如低熔点金属或者树脂材料等。
　　优点：精度高，可打印金属（如钛、铝、铜、不锈钢和高温合金等）、陶瓷和尼龙等多种材料。
　　缺点：成本高，在打印大尺寸物体时容易发生翘曲，速度较慢。
　　七、片材层压型
　　Sheet lamination
　　将材料进行激光切割后以粘结剂或焊接的方式结合在一起形成实体。与上文列出的其他工艺方法均不同， 片材层压打印技术可用材料除了金属板，甚至还有纸等几乎其他任何可以卷曲的材料。  片材层压主要包含分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（Ultrasonic additive manufacturing, UAM）等。LOM是利用胶水将多层纸粘合并用锋利的刀切割，无需加热或熔化。每张纸的切割方式略有不同。UAM是使用超声波焊接机来粘合金属片或金属带，每个金属层都被轧制在生长的结构上，最大的技术优势是低温，适用于对温度敏感的低熔点材料。
　　优点：成型速度快，精度高，翘曲变形小。
　　缺点：层间粘接差，成型样件结构强度存在明显的各向异性，材料的利用率较低，只能制作简单结构部件。
　　应用实例
　　在科研及产业界大量研发投入的驱动下，3D打印对制造业的升级能力以创新为宗旨，从应用端的引入深度和广度切入，为各下游行业进行价值赋能和创造革命，覆盖领域包括航天军工、汽车船舶、能源动力、生命医疗、文化创意和建筑等。
　　图3：深蓝火箭试验飞行
　　在航空和能源领域  ，近期，美国Arris Composites与空中客车公司合作在3D打印碳纤维复合材料市场发力批量制造，打造轻量型客舱支架；索尔维与OEM 9T Labs合作将3D打印碳纤维增强塑料部件引入量产，用于生产航空、自动化和石油天然气等行业所需的中小尺寸零部件。
　　回顾国内，3D打印产业在《中国制造2025》的引导下迎来高速发展契机，正助力国内商业火箭的快速发展。2021年2月，重庆壹零空间首次采用3D打印姿控动力系统产品飞行，2021年7月，由3D打印制造发动机的深蓝航天液体火箭低空垂直回收飞行试验成功。可见3D打印已催生火箭制造的新赛道，并逐渐成为火箭制造过程中的重要支撑技术。
　　在 制造医疗假体  方面的发展则不仅仅局限在骨科、假耳等，还包括眼部假体，2021年11月，德国Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所在3D打印假眼临床应用方面的突破表明3D打印制造医疗假体的商业化趋势。
　　相信随着需求的不断挖掘、政策的持续引导和行业标准的逐步规范化，3D打印应用的广度和深度将进一步加速拓展。
　　图4：3D打印仿生眼球
　　3D打印技术从1980s诞生至今只有短短三十多年，却正在引领世界性的制造业革命。作为＂互联网+智能制造＂的代表，它几乎完美地满足了定制与大规模生产的要求，并在众多领域展现出无限的创造性。3D打印产业正进入成长期，预计到2026年全球3D打印产值有望达到372亿美元，全球竞争已拉开序幕。但如何实现精密化、智能化、通用化和便捷化是摆在3D打印技术面前的重要课题，期待在其不断完善与精进的路上能够为未来智能制造带来里程碑式的变化。
　　参 考 资 料：
　　1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
　　2. 《3D打印与工业制造》——机械工业出版社
　　3. 2021年3D打印行业深度研究报告——西部证券
　　监制 | 赵阳
　　编辑 | 赵唯
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