关于3D打印技术中的几个问题与思考（连载1）

刘斌

（华南理工大学，广东广州，510640）

前言3D打印技术，又称增材制造技术，以前称快速成型“快速成形”技术，出现在上世纪80年代中后期。世界上（包括国内）的第一次研究开发热度期，在上世纪80年代中后期至2003年左右。2003年至2012年出现了研究开发的低谷，其原因是多方面的。自从2012年开始，该技术的研究开发及应用又有了新的转机，其原因众所周知，因此，自2012年以来，3D打印技术出现了新一轮的研究开发热度期，并且，其热度远远大于第一次的热度。

在这次热度中，3D打印技术的研究与应用如火如荼，对3D打印技术的宣传几乎做到了妇孺皆知。那么在这新一轮的3D打印热潮中，我觉得应该冷静思考一些问题，使国人充分了解3D打印技术的实质及存在的本质问题，从而做到客观、公正、冷静、充分地了解3D打印技术。

本文的作者自1993年以来就开始从事3D打印技术（注：那时被称为快速成型技术）的研究，并一直从事其研究与教学，对3D打印技术有比较深刻的理解。本文采用问答形式，对3D打印技术中存在的十几个关键问题进行了思考与回答，以共飨读者。

本文中的观点为作者的一家之言，有不对的地方，请读者不吝批评指正。

1 什么叫3D打印技术？

1.1 定义

3D打印（Three Dimension Printing，简称3DP）技术，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造或增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）技术，以前称为快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、精密机械、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。

3D打印技术，从狭义上来说，主要是指增材成型技术；从成型工艺上看，3D打印技术突破了传统成型方法，它通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工，就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。

1.2 3D打印技术原理

3D打印技术“以前被称为快速成型、快速成形”是上世纪80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，它有不同的英文名称，如Rapid Prototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形）、Freeform Manufacturing（ 自由形式制造） 、Additive Fabrication（增材制造）等，常常简称为RP。该技术将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体（如图1所示）。

3D打印技术的原理是：依据计算机上构成的工件三维设计模型（图2（a）），对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓（图2（b））。按照这些轮廓，成形头选择性地固化一层层的液态树脂（或切割一层层的纸，烧结一层层的粉末材料，喷涂一层层的热熔材料或粘结剂等），形成各个截面轮廓（图2（c））并逐步顺序迭加成三维工件（图2（d））。

3D打印技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的“增长”加工法——用一层层的小毛坯逐步迭加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10％～30％的工时和20％～35％的成本，就能直接制造出产品样品或模具（图3）。由于3D打印技术具有上述突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（ConcurrentEngineering，简称CE）的必不可少的手段。

1.3 3D打印技术的主流工艺介绍

3D打印技术的主流工艺介绍如下：

（1） 分层物体制造（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）

这是历史最为悠久的3D打印技术之一，也是最为成熟的3D打印技术之一。

LOM技术自1991年问世以来得到了迅速的发展。由于该工艺多使用纸材、PVC片材等薄形材料，价格低廉且成型精度较高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。其成型原理如图4所示。

分层物体制造系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。其中，计算机负责接收和存储成型工件的三维模型数据，这些数据主要是沿模型高度方向提取的一系列截面轮廓。原材料存储与运送部件将把存储在其中的原材料（底面涂有粘合剂的薄层材料）逐步送至工作台上方。激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄层材料进行切割，可升降的工作台能支撑成型的工件，并在每层成型之后降低一个材料厚度，以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料，最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄层材料粘合在一起，就这样重复上述的步骤，直到工件完全成型。

（2）立体光固化成型（Stereo LithographyApparatus，简称SLA）

又称立体光刻成型。该工艺最早由美国CharlesW. Hull于1984年提出并获得美国国家专利，是最早发展起来的3D打印技术之一。Charles W.Hull在获得该专利后两年便成立了3D Systems公司，并于1988年发布了世界上第一台商用3D打印机SLA-250。

SLA的工艺耗材是光敏树脂。SLA工艺以光敏树脂作为成型材料，在计算机的控制下，紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描，从而让其逐层固化成型。

SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度较高的几何立体模型。SLA的基本原理如图5所示。

在图5中，液槽里会先盛满液态的光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发射出来的紫外激光束，在计算机的操纵下，按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化，从而形成工件的一个薄层。当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的激光扫描固化。

新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复，直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。

当工件完全成型后，首先需要把工件取出并把多余的树脂清理干净，接着还需要把支撑结构清除掉，最后还需要把工件放到紫外灯下进行二次固化。

（3） 熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，简称FDM）

它是继LOM和SLA工艺之后发展起来的一种3D打印技术。

该技术由Scott Crump于1988年发明，随后ScottCrump创立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一台基于FDM技术的3D打印机——3D Modeler，这也标志着FDM技术步入商用阶段。

熔融沉积又被称为熔丝沉积。它将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的热喷头把材料挤出来。热喷头可以沿X、Y方向进行移动，工作台则沿Z轴方向移动，熔融的丝材被挤出后，随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积完成后，工作台将按预定的增量下降一个高度，然后重复以上的步骤，直到工件完全成型。其原理如图6所示。

热熔性丝料（通常为ABS或PLA等热塑性材料）先被缠绕在供料辊上，由步进电机驱动辊子旋转，丝料在主动辊与从动辊的摩擦力作用下，向热喷头的喷嘴送出。在供料辊和热喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成，以便丝料能够顺利准确地由供料辊送到热喷头的内腔。热喷头的上方有电阻丝式加热器，在加热器的作用下，丝料被加热到熔融状态，然后通过热喷嘴把熔融材料挤压到工作台上，材料冷却后便形成了工件的一个截面。

采用FDM工艺制作具有悬空结构的工件原型时，需要制作支撑结构。为了节省材料成本和提高成型效率，新型的FDM设备采用双喷头设计，即：一个喷头负责挤出成型材料，另一个喷头负责挤出支撑材料。一般来说，用于成型的材料丝相对更精细一些，而且价格较高，沉积效率也较低；用于制作支撑的材料丝相对较粗一些，而且成本较低，但沉积效率会更高些。支撑材料一般选用水溶性材料或比成型材料熔点低的材料，这样在后期处理时，通过物理或化学的方式就能很方便地把支撑结构去除干净。

（4）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）

该工艺最早是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年在其硕士论文中提出的，随后C.R. Dechard创立了DTM公司，并于1992年发布了基于SLS技术的工业级商用3D打印机Sinterstation。

SLS工艺使用粉末状材料。激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合，就这样，材料层层堆积实现成型。SLS的成型原理如图7所示。

选择性激光烧结过程是：先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射，使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后，工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末，并开始新一层截面的烧结，如此反复操作，直到工件完全成型。

在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂起着支撑的作用，因此，SLS成型时不需要制作支撑结构。SLS工艺使用的材料，除了石蜡、聚碳酸酯、尼龙、陶瓷等材料外，还可以是金属材料。

（5）三维打印（Three-Dimension Printing，简称3DP）

该工艺由美国麻省理工学院的Emanual Sachs教授发明于1993年。

3DP的工作原理类似于喷墨打印机的工作原理，是形式上最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。3DP工艺与SLS工艺也有着类似的地方，采用的都是粉末状材料，如陶瓷粉末、金属粉末或塑料粉末等，但与其不同的是，3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的，而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来，并一层层堆积成型的。3DP的技术原理如图8所示。

首先，在工作槽中的工作台上铺上一层指定厚度的粉末，接着喷头会按照一定的路径将液态粘合剂喷射在粉层上的指定区域中，成型一个截面，此后不断重复上述步骤，直到工件完全成型，然后除去模型上多余的粉末材料即可。

3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均质材料的零件。

（6）PolyJet“聚合物喷射”

该工艺是以色列Objet公司于2000年初推出的专利技术。

PolyJet技术也是当前最为先进的3D打印技术之一，它的成型原理与3DP有点类似，不过喷射的不是粘合剂而是聚合物材料。PolyJet聚合物喷射系统的结构如图9所示。PolyJet的喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理与喷墨打印机十分类似，不同的是喷头喷射的不是墨水而是光敏聚合物。

当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光，对光敏聚合物材料进行固化。完成一层的喷射打印和固化后，工作台会精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料，并进行下一层的打印和固化。就这样一层接一层，直到整个工件打印制作完成。在工件成型过程中，使用两种不同类型的光敏树脂材料：一种是用来成型实际模型的材料，另一种是用来制作支撑的树脂材料。当整个打印成型过程完成后，再把支撑材料去除。其工艺过程如图10、11所示。

3D打印技术，除了上述六种常用的工艺外，市场上还有多种不同类型的成型工艺，但究其成型原理，都是基于“分层制造，层层叠加”的离散化制造思想，故在此不再赘述，感兴趣的读者可查阅相关资料。(未完待续)