3D打印基础知识汇总

3D 打印技术( 3D Printing )

是一种以3D设计模型文件为基础,运用不同的打印技术方式使特定的材料,通过逐层堆叠叠加的方式来制造物体的技术。学术上称之为快速成型技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM) , 从制造工艺的技术划分它叫做增材制造(Additive Manufacturing ,简称AM)。

3D打印技术的原理

3D打印是一种离散堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标系进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成型材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕成三维实体原型。

3D打印的4大分类

按照工艺特点可以将3D打印分为光敏树脂固化、叠层实体制造、熔丝挤出造型和粉床激光烧结四大类。

 

1光敏树脂固化（SLA）

      Stereo lithography Appearance

打印时，将树脂材料倒进树脂槽中，平台下降至料槽中，激光发射器会根据切片层的形状通过激光振镜对料槽中的树脂进行轮廓扫描固化，一层一层上升，得到精细的三维立体模型。

可使用材料：光敏树脂

2 实体叠层制造（LOM）

         Laminated Object Manufacturing

 激光切割系统按照 计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割。这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。

可使用材料：纸、金属膜、塑料薄膜

3 熔融沉积制造技术（FDM）

         Fused Deposition Modeling

将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。

可使用材料：热塑性塑料、共晶系统金属、可食用材料。

4 选区激光烧结技术（SLS）

         selective laser sintering

使用高功率激光器将塑料、金属、陶瓷等小颗粒熔合成具有所需三维形状的块。激光通过扫描由粉末床表面上的部件的3-D数字描述产生的横截面来选择性地熔化粉末材料。扫描每个横截面后，将粉末床降低一层厚度，在顶部施加新的材料层，并重复该过程直到部件完成。

可使用材料：热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末等。

3D打印的应用

1 航天领域

2014年8月31日，美国宇航局的工程师们刚刚完成了3D打印火箭喷射器的测试，本项研究在于提高火箭发动机某个组件的性能，由于喷射器内液态氧和气态氢一起混合反应，这里的燃烧温度可达到6000华氏度，大约为3315摄氏度，可产生2万磅的推力，约为9吨左右，验证了3D打印技术在火箭发动机制造上的可行性。本项测试工作位于阿拉巴马亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心，这里拥有较为完善的火箭发动机测试条件，工程师可验证3D打印部件在点火环境中的性能。

3D打印火箭喷射器的测试

在航天航空领域采用3D打印的优势有很多。一方面，由于航空航天领域大量需求大尺寸的精密构件，采用3D打印技术就可以更精准的确定零件的尺寸大小。在2016年珠海航展上，西安一家公司展示的一款3D打印航空发动机中空叶片，总高度达933mm。同等条件下，采用一般技术可能较难实现这一中空叶片的生产和制造，而采用3D打印技术就可以快速、准确的打印出所需要的产品。

另一方面，3D打印技术可以实现相应产品的微米纳米水平。在强度、硬度不变的情况下，利用3D打印技术可以大大减轻产品的体积和重量。

2 食品行业

“3D食物打印机”是美国纽约康奈尔大学研制的食物制造设备。这部“3D食物打印机”采用了类似日常计算机打印机的工作原理，将食物和配料预先放入容器（墨盒）中，只需输入所需食谱，通过所配套的CAD软件就能把美食“印”出来。用“3D食物打印机”制作食物，可以大幅地缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节中的污染与保存等不利影响。一批与烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内，因此食物原料必须是液体或其他可以“打印”的状态。

食物3D打印最先开发的是3D巧克力打印，巧克力打印设备原理基本是，用它的热熔喷头瞬间把巧克力融化，然后再瞬间成形，之后一层一层，一条线一条线的，把它打印出来。这种3D打印巧克力根据不同的形状，打印的时间从十几分钟到几个小时不等，不过它可以同时打印多个产品，所以相对来说还是比较方便的。

到目前为止，可以成功打印出30多种不同的食品，主要有六大类：糖果（巧克力、杏仁糖、口香糖、软糖、果冻）；烘焙食品（饼干、蛋糕、甜点）；零食产品（薯片、可口的小吃）；水果和蔬菜产品（各种水果泥、水果汁、蔬菜水果果冻或凝胶）；肉制品（不同的酱和肉类品）；奶制品（奶酪或酸奶）。目前多数创业者主要以打印糖果、烘焙食品和零食为主。

3 汽车行业

世界第一台3D打印车是由美国Local Motors公司设计制造的，名叫“Strati”的小巧两座家用汽车。

用3D打印技术打印一辆斯特拉提轿车并完成组装需时44小时。整个车身上靠3D打印出的部件总数为40个，相较传统汽车20000多个零件来说可谓十分简洁。充满曲线的车身先由黑色塑料制造，再层层包裹碳纤维以增加强度，这一制造设计尚属首创。Strati采用一体成型车身，最大速度可达到每小时40英里（约合每小时64公里），一次充电可行驶120到150英里（约合190到240公里）。Strati只有49个零部件，动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃采用传统技术制造，包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印，所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。制造该轿车的车间里有一架超大的3D打印机，能打印长3米、宽1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印机只能打印25立方厘米大小的东西。

3D打印在汽车行业应用

2015年7月，美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。该公司表示此款车由一系列铝制“节点”和碳纤维管材拼插相连，轻松组装成汽车底盘，因此更加环保。Blade 搭载一台可使用汽油或压缩天然气为燃料的双燃料700马力发动机。此外由于整车质量很轻，整车质量仅为1400磅(约合0.64吨)，从静止加速到每小时60英里(96公里)仅用时两秒，轻松跻身顶尖超跑行列。

首辆3D打印汽车

4 医疗领域

近年来，随着3d打印技术的发展和精准化、个性化医疗需求的增长，3D打印技术在医疗行业应用在广度和深度方面都得到了显著发展。在应用的广度方面，从最初的医疗模型快速制造，逐渐发展到3D打印直接制造助听器外壳、植入物、复杂手术器械和3D打印药品。在深度方面，由3D打印没有生命的医疗器械向打印具有生物活性的人工组织、器官的方向发展。

在医学上，采用3D打印将光子聚合物和生物功能材料组合修饰成毛细血管，不仅具有良好的弹性和人体相容性，还能够用于替换坏死的血管，与人造器官结合，部分取代药物研发中的实验动物。2011年10月在德国生物科技展（Biotechnical Fair）上，用3D打印机打印出来的人造毛细血管吸引了参会者的关注，这些人造毛细血管已经在临床医学上应用。

3D打印胸腔

除此之外，3D打印还可以用于室内设计、服装服饰、无影高跟鞋、私人订制内衣等方面。

3D打印的发展前景

3D打印技术目前解决了个性化定制问题，而传统制造业的核心需求是批量化个性生产，这就对技术迭代提出了更高的要求，事实上全球的3D打印设备厂商都在把批量化生产定为下一个研发目标。此外，从增材制造近年来在美欧的发展趋势来看，一方面桌面级设备通过智能化和成本不断降低，促进了3D打印大众化和社会化应用。

3D打印的共同目标是实现从一台机器中打印出各种复合材料，一次性为项目实现多重制造属性。然而，细观结构材料技术允许我们获得更多单一材料之外的利用价值。相比较于对不同的性能便要依赖不一样的材料，设计师可以利用细观结构材料技术来创造一种拥有各种所需的性能特点的物体，这只需要一台机器及一种成份（改变基础成本的组织结构）。这样一来，在材料合成上，3D打印将获得更高的灵活性和有效性。围绕金属零件的直/间接制造，提高效率、致密度、精度、表面光洁度、实时在线测量缺陷的工业级和专业级高能激光和电子束增材制造技术不断进步，金属原材料品种持续丰富，标准不断完善，在工业界开始逐步应用。近期，则在陶瓷材料、新型功能 - 结构一体化复合零件的制造，医用假体制造，3D 细胞打印，组织器官类生命体制造等形成新的热点。

回顾3D打印的发展历程，我们虽然取得不少进步，但我们还可以通过解放思维实现创新，推动3D打印产业实现质的飞跃发展。当下，制约行业发展的不是核心技术，而是人们整合产业及商业模式进行思考的能量。