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3D打印的技術原理

3D 打印作為目前工業制造領域的前沿技術，集合了多種技術，包括分層制造技術、機械工程、數控技術、CAD、激光技術、逆向工程技術、材料科學等，可以直接、快速、自動、精確地將設計電子模型轉變為具有定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種低成本而高效的實現手段。3D打印技術的基本原理是斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把某個東西“切”成無數疊加的片，3D 打印則是通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體技術，因此3D 打印制造技術又被稱為“增材制造技術”。

3D打印技術雖然有好多種，但思路基本都是一樣的，專業術語叫做“分布式材料制造”。

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3D 打印的特點

相比于傳統的打印技術與制造工藝，3D 打印的特點集中體現在以下幾個方面：

首先，一次性完成打印，不需要反復的切割、磨削，簡化了產品制作流程，縮短了生產周期。技術人員需要提前獲取產品的三維坐標和結構特征，然后在計算機上利用特定的軟件生成三維模型，最后由計算機控制3D 打印機，完成產品的打印和制造，真正實現了“所見即所得”。

其次，成本較低，尤其是在批量化生產方面，相比于傳統的加工制造有更加顯著的成本優勢。從生產方式上來看，3D 打印技術只需要前期獲取產品的三維坐標和設計出產品的三維模型即可，剩下的工作全部由設備自動完成，只需要1 個人即可完成，人工成本、時間成本較低。最后，產品的精密化程度更高，特別是在精密零件制造方面，利用3D 打印所得產品的精確度可以達到0.01mm 級別，并且支持32 位色彩的彩色打印。

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3D 打印的關鍵技術

設備、材料與技術，是構成3D 打印的三個核心要素。

設備方面，主要包括3D 打印機、三維掃描儀、三維激光雕刻機、激光跟蹤儀等；

材料方面，常用的材料有光敏樹脂、塑料粉末、骨粉、聚乳酸等；

技術方面，包含了多種關鍵技術，例如3DP 技術、FDM 熔融層積成型技術、SLA激光光固化技術等。這些技術的操作方法、基本原理以及應用優勢，均存在較大的差異，具體如下。

3.1 三維噴繪打印技術

三維噴繪（3DP）技術是現階段最為常用的一種3D打印方式。所用設備為標準噴墨打印機，可以適配多種粉末打印材料，例如陶瓷粉末、塑料粉末以及骨粉等。預設程序、建立模型后，在計算機指令控制下，先鋪一層粉末，然后移動噴嘴，通過噴嘴將粘合劑噴到制定的區域，使粉末狀的材料粘結在一起。完成第一層打印后，可以得到產品的雛形，然后繼續重復上述步驟，在多次鋪粉、噴涂、粘結以后，最終得到所需的產品。如果需要打印彩色產品，可以選擇相應顏色的粘結劑。

3.2 激光光固化技術

SLA 以光敏樹脂為原料，這種液態材料在一定波長（x=325nm）和強度（w=30mw）的紫外光的照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態轉變成固態。液槽中會先盛滿液態的光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數據在液態的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區域的樹脂薄層產生聚合反應而固化從形成工件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，直至得到三維實體模型。

3.3 SLS 選取激光燒結技術

SLS 工藝中使用到的設備有激光器、掃描鏡、平整輥等。技術流程為：首先在作業臺上鋪上一層合適厚度的粉末材料，優先選擇光敏樹脂、石蠟粉末、塑料粉末，一般不得使用陶瓷粉末、金屬粉末。然后預設程序、讀取模型，在計算機控制指令下，激光器會發出激光束，并通過掃描鏡照射作業臺上的粉末材料。由于激光具有極高的能量，會對粉末材料進行燒結，首先形成產品的外部輪廓，然后繼續鋪粉，由外向內的燒結粉末，經過多次鋪粉、多次燒結后，最終形成所需的產品。相比于上述幾種3D 打印方法，基于SLS 工藝的選區激光燒結技術工藝流程相對簡便，而且產品制作的速度較快。但是這一技術也存在缺陷，例如對打印材料具有選擇性，金屬粉末、陶瓷粉末在燒結過程中需要消耗更多的能量，會導致成本上升，因此對于以金屬、陶瓷為主要材料的產品，不宜選擇這一技術。

3.4 DLP 激光成型技術

該技術與上文所述的SLA 立體平板印刷技術有一定的相似性，主要的區別在于DLP（數字光處理器）的運用。準備好液態光聚合物以后，在材料的正上方設置高精密度的數字光處理器，技術人員調校設備，將光束移動到（0.0）坐標處，在計算機指令的控制下完成照射，使液態材料逐漸固化。光固化的過程也是層層固化，但是固化速度更快，產品成型精度更高。另外，在產品的表面光滑度方面，也比其他的3D 打印技術具有優勢。但是該技術也存在不足，例如對液態光聚合物的純度要求極高，如果摻雜了雜質，將會對最終產品的性能造成負面影響。

3.5 LOM 分層實體制造技術

LOM 工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO(2) 激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區域內切割出上下對齊的網格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。

3.6 PCM 無模鑄型制造技術

PCM 無模鑄型制造技術是2013 年由清華大學研發的一種新型3D 打印技術。其操作流程是：首先在計算機中繪制零件的CAD 模型，然后將該模型的參數以STL 文件的形式保存。根據零件模型轉化后得到鑄型CAD 模型。自上而下的進行分層，利用掃描設備逐層掃描，完成掃描后得到了模型的三維坐標，然后開始從下往上的鋪砂、粘結。鑄型過程中使用到2 個噴嘴，其中一個噴射粘結劑，而另一個噴射催化劑。兩種材料同時噴射，在接觸后會發生膠聯反應，形成一層比較堅固的材料層。完成第一層后，按照順序進行第二層、第三層，直到得到最終的產品。

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3D 打印技術的應用領域和限制條件

4.1 應用領域

從1986 年出現第一臺商業3D 打印機至今，3D 打印技術雖然只有30 多年的發展歷史，但是已經在建筑、醫療、航空等諸多領域得到了廣泛應用。在建筑行業，將3D打印技術與BIM 技術相結合，在計算機內構建建筑的三維模型，然后將其打印出來。通過3D 立體建筑模型，在建筑展示、施工參考等方面提供了技術支持；在醫療行業，利用3D 打印技術制作仿真的人造骨骼，臨床應用效果理想。另外，醫生還可以利用3D 打印技術，制作病理模型，在仿真情境下進行手術預演，設計手術方案，提高了手術成功率。在航空航天領域，利用3D 打印可以制作出符合設計標準和使用要求的高精密零件，例如發動機的渦輪葉片、一體化燃油噴嘴等，對提高航天器的整體性能也有積極幫助。除此之外，像工業制造中注塑模具的制造，以及個性化消費品的制造等等，隨著3D 打印技術的成熟與使用成本的降低，也相繼得到了推廣使用。

4.2 限制條件

3D 打印技術在推廣使用過程中，既突顯了強大的應用優勢，同時也面臨著較多的限制。從現階段的技術條件來看，限制3D 打印發展與推廣的因素主要包括以下幾種：第一，材料方面。通過上文分析可知，當前3D 打印使用的材料主要是光敏樹脂、陶瓷、石蠟等。在應用領域拓展的背景下，有限的幾種材料顯然無法滿足在一些新興領域的使用要求。例如無法使用金屬、合金材料進行3D打印，對其應用產生了限制。另外，材料價格相對昂貴，在進行批量化打印時，高昂的成本也成為了限制因素。第二，器械方面。3D 打印技術要想實現全面商業化，必須降低設備價格。現階段一臺普通3D 打印機的價格大約在5000 元左右，如果對精度有較高要求，設備價格則從一萬到幾萬不等。這對于普通用戶來說仍然屬于高消費，對3D 打印的全面普及產生了阻礙。

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3D 打印技術的發展趨勢

5.1 標準更加完善

3D 打印技術的發展前景廣闊，在市場規模不斷擴大的背景下，要想讓3D 打印可以得到規范化、產業化發展，必須加強頂層設計、健全行業標準。由政府相關部門，或者是行業內的權威機構，盡快編制并出臺統一的制度標準，包括材料生產標準、設備研發標準、技術評估標準等。有了完善的標準制度，為3D 打印技術發展提供強有力的保障。例如，近年來許多科研單位在納米材料、高分子復合材料、功能梯度材料方面展開了深入探究。在實行統一標準后，對各類材料的參數、標準等予以規范，在選購3D 打印材料時，檢查是否符合標準規范，從而杜絕劣質、“山寨”材料，保證打印產品的性能和質量。

5.2 智能化程度更高

目前3D 打印技術在應用時，對產品設計、參數處理等方面的專業性要求較高。除了增加工作人員的負擔外，也帶來了入門門檻高的問題。因此，隨著AI 技術、大數據技術的發展，未來的3D 打印技術將會向智能化、簡便化方向發展，為用戶提供更加良好的使用體驗。具體發展路徑包括兩方面：其一是硬件方面，即3D 打印設備。除了進一步降低設備價格外，還應當提供更多人性化的功能，例如可視化功能，向用于展示整個3D 打印流程，用戶可以根據實時畫面隨時調節打印參數，有利于獲得想要的打印產品；其二是軟件方面，提供設計軟件、打印控制軟件等多種功能性軟件，支持更多類型的打印需求。

5.3 配套材料的發展

打印設備與打印材料是3D 打印技術應用與發展的關鍵。研發適合3D 打印需求的多類型材料，也成為下一步該技術創新發展的重要內容。除了當前比較常用的光敏樹脂材料、高分子粉末材料外，像石蠟粉末材料、覆膜砂粉材料、金屬粉末材料，以及熔絲線材、木塑復合材料等，都有望在3D 打印中得到推廣使用。除了提供更加豐富的配套材料外，在材料的性能方面、穩固性方面，以及特殊環境適應性方面，也會得到極大的改善，從而讓3D打印產品可以在各個領域、各種環境發揮明顯的應用優勢。

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