工業(yè)制造中的3D打印技術綜述

3D打印技術又稱三維打印技術、增材制造技術、積層制造技術，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀材料(如金屬或非金屬)等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，最早于20世紀80年代末出現(xiàn)。

3D打印是將計算機技術生成的三維物體進行二維化，結合數(shù)控技術，利用層端口法將二維圖像轉換為三維模型，再逐層制造。3D打印制造技術是一門新興的制造技術，與其他制造技術相比，具有加工時間短、成型速度快、加工精度高、節(jié)省原材料等優(yōu)點。

這是對“方法”的一種新的嘗試。最終目標是通過將手機對周圍環(huán)境和能量狀態(tài)特征的“感知”融入技術，實現(xiàn)完全的智能化和自動化。隨著中國科學技術的快速發(fā)展，3D打印技術不斷被應用于工業(yè)制造和航空航天制造等領域，并取得了顯著的成果。

1、3D打印技術原理與分類

3D打印機就像日常打印設備一樣工作。它們由計算機和印刷材料進行數(shù)字控制和分層。然而，3D打印機打印材料不同于日常打印機，其使用的是專用材料，如陶瓷、金屬、印刷砂和塑料等。

簡單來說，3D打印機是一種可以以逼真的三維狀態(tài)“打印”物體的機器，設計師可以設計自己構思的物體，并將其打印出來，實現(xiàn)所想即所得。

常用的印刷材料有鋁合金、鍍銀、尼龍玻璃纖維、不銹鋼、石膏材料、鈦合金、耐用尼龍材料、鍍金、橡膠材料等。根據(jù)成型工藝的不同，3D打印可分為顆粒、線控、擠壓等，3D打印技術具體分類如下表所示。

3D打印技術分類

圖源：中瑞科技

2、3D打印技術的發(fā)展

國際上，3D打印發(fā)展相對較早，商業(yè)原型出現(xiàn)在20世紀90年代，1986年美國科學家查爾斯赫爾開發(fā)出第一臺商業(yè)3D打印機。1993年，麻省理工學院獲得了3D打印技術專利。1995年，美國ZCorp公司獲得了麻省理工學院頒發(fā)的一次性許可證，并開始開發(fā)3D打印機。

2005年，ZCorp成功開發(fā)了Z510，這是市場上第一臺高清3D彩色頻譜打印機。2010年11月，美國團隊JimKor制造出了世界上第一款由3D打印機制造的汽車，如下圖所示。

3D打印的汽車

2011年7月，英國研究人員研制出世界上第一臺3D巧克力打印機。2011年8月，南安普頓大學的工程師開發(fā)出世界上第一架3D打印機制造的飛機。2012年11月，蘇格蘭科學家首次使用人體細胞3D打印機打印出合成肝臟。2013年10月，一款名為“小野之神”的3D打印產(chǎn)品被售出，這是世界上首次出售的3D打印產(chǎn)品。

2013年11月，位于德克薩斯州的Vein的3D打印機Solidcontigs生產(chǎn)出了金屬材料的槍械。2018年12月，俄羅斯宇航員在國際空間站上使用3D生物打印機在零重力下打印實驗大鼠的甲狀腺。

2019年1月，加州大學圣地亞哥分校(UCSD)和加州大學洛杉磯分校(UCLA)在Nature雜志上發(fā)表了首個復制中樞神經(jīng)系統(tǒng)脊柱的3D打印研究成果。當植入神經(jīng)干細胞時，會植入脊髓受到嚴重損傷的動物，從而能夠獲得他們的運動技能。該系統(tǒng)試圖模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)的特性。該中樞神經(jīng)脊柱是圓形的，只有2mm厚，其構成的框架為h型。支架周圍是數(shù)十個直徑約200μm的麥克風，用于引導植入的神經(jīng)干細胞和軸突沿十字交叉。

2019年8月，美國研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了一項研究成果，通過Hoendenden將水冰應用到“模具中”，成功地生產(chǎn)出膠原蛋白3D打印“骨細胞”，這是3D打印全尺寸成人心臟的一次技術上的突破。

國內3D打印技術的發(fā)展較為落后，但是發(fā)展卻十分迅速。在大學的創(chuàng)新課程中也已經(jīng)開始講解3D打印技術。

Bar將3D打印的優(yōu)勢與機械學習的優(yōu)勢分析相結合，描述了3D打印在機械設計中的應用，開發(fā)用于生產(chǎn)機械控制裝置的3D打印技術。

3、3D打印材料簡介

根據(jù)印刷材料的不同，印刷材料的性能也不同。目前，用于塑料印刷的印刷材料主要分為普通塑料、工程塑料和生物塑料。

ShapeMaterials耗材

1)通用塑料。通用塑料是一種效率高、價格低、力學性能差、應用廣泛的塑料。它通常不用作結構材料。廣泛使用的濃縮通用塑料有ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，但由于通用塑料質量差，不能滿足3D打印的材料性能要求，所以通用復合材料的制造一般都是合成的。

2)工程塑料。工程塑料是一種廣泛用作建筑材料的熱塑性材料，它具有高強度、抗老化、高硬度和抗沖擊等特點，被廣泛用于3D打印。最常用的工程塑料有ABS工程塑料、尼龍塑料和聚碳酸酯。

中化國際ABS、PC

其中，ABS塑料具有較好的韌性、抗沖擊性和耐腐蝕性，但耐候性和收縮變形較差；聚碳酸酯具有強度高、抗沖擊性好、耐火、收縮率低等優(yōu)點，但熔融后黏度高、流動性低；尼龍塑料機械性能高，耐磨性強，拉伸性能好，韌性優(yōu)良，但吸水率和尺寸穩(wěn)定性較差；聚醚醚酮(PEEK)具有強度高、韌性好、導熱系數(shù)低、易于加工等優(yōu)點，但具有化學惰性。

現(xiàn)階段，專家們也在通過不斷的實驗和分析對各種工程塑料進行優(yōu)化，以保持其優(yōu)勢，減少其劣勢，提高其性能。

東辰尼龍

大連九信作物PEEK

3)生物塑料。隨著環(huán)保要求越來越高，綠色產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。生物塑料是可生物降解的聚合物塑料。這種聚合物可以被天然微生物化學分解并降解成無污染的材料。使用最多的生物塑料主要是聚己內酯、PLA、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯。

3D打印級聚己內酯 圖源：深圳光華偉業(yè)

華騰生物

其中，PLA相容性好，降解性好，熱穩(wěn)定性和力學性能高，但抗拉強度低，脆性大；聚己內酯無毒、熔點低、生物相容性好、可生物降解，但力學性能較差；聚對苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯具有優(yōu)異的韌性、透明度和生態(tài)相容性。

聚對苯二甲酸乙二醇酯-1無毒，但韌性低，收縮率高；4-環(huán)己烷二甲酯黏度低，液體流動性好，瞬間光固化，感光度高，韌性低，收縮率大。在選擇3D打印制造的原材料時，要考慮待加工零件的應用條件，然后選擇合適的打印材料。

4、結語

綜上，研究組介紹了3D打印技術的原理、發(fā)展歷程、優(yōu)缺點以及幾種打印材料，并分析了3D打印技術的未來發(fā)展，從幾個角度對3D打印技術進行了闡述。

隨著計算機技術、材料科技、機械制造技術的不斷發(fā)展，3D打印技術的發(fā)展之路也越走越快。結合最新熱門的智能制造，將會使3D打印設備變得更便于操作與使用，未來3D打印技術將會應用得更加廣泛。

審核編輯 ：李倩