第一章　3D打印

第一節　概述

1．為什么叫“打印”

3D打印機的結構和傳統打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成的，打印原理也是一樣的。3D打印與激光成型技術類似，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。普通的3D打印機使用“噴墨”方式，只是噴出的“墨滴”是熔融的塑料、金屬、陶瓷以及特殊合金等，即使用打印機噴頭將一層極薄的液態塑料等物質噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進行處理。之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。還有的3D打印機使用“黏結、固化”方式，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊“膠水”，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替堆疊下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而這些粉末還可循環利用。如圖1-1所示的是兩種精度較高的桌面工業級3D打印機。

3D打印機（3D printers，3DP）是由一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發明家設計的，它不僅可以“打印”機械零件、個性化服裝、完整的建筑、骨骼、假牙，甚至可以在航天飛船中給宇航員打印所需的物品。圖1-2所示的是3D打印機打印出的私人訂制的時裝、工藝品、房屋。

2．3D打印與普通打印的不同

常見的桌面打印機（噴墨打印機）和3D打印機最大的區別是維度問題：桌面打印機是二維打印，即在平面紙張上噴涂彩色墨水；而3D打印機也是噴涂“墨水”，一層層打印，堆積黏合成可以拿在手上的三維物體，只是這“墨水”是熔融的金屬、塑料、陶瓷以及特殊合金等。圖1-3所示的是一種國產3D打印機在逐層打印工藝品。圖1-4所示的是3D打印機打印出的機件。圖1-5所示的是3D打印機打印出傳統工藝難以制造的物品。

3D打印機與傳統打印機的另一個區別是，它使用的“墨水”是實實在在的原材料，堆疊薄層的形式有多種多樣，可用于打印的材料種類多樣，如塑料、金屬、陶瓷以及橡膠類物質等。有些打印機還能結合不同材質，令打印出來的物體一頭堅硬而另一頭柔軟。

3．3D打印機的技術原理

“3D打印”是一類將材料逐層疊加來制造三維物體的“增材制造”技術的統稱，區別于傳統的“減材制造”，其核心原理是：“分層制造，逐層疊加”，類似于高等數學里柱面坐標三重積分的過程。3D打印技術將機械、材料、計算機、通信、控制技術和生物醫學等技術融合在一起，具有縮短產品開發周期、降低研發成本和一體制造復雜形狀工件等優勢，未來可能對制造業生產模式與人類生活方式產生重要的影響。

3D打印是制造業領域正在迅速發展的一項新興技術，被稱為“具有工業革命意義的制造技術”。運用該技術進行生產的主要流程是：應用計算機軟件設計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設備——3D打印機，用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產品。

3D打印是“增材制造”的主要實現形式?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^別于傳統的“減材制造”。傳統制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。 而“增材制造”不需原坯和模具，就能直接根據計算機的三維圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。

3D打印機又稱三維打印機，是一種累積制造技術，即快速成型技術，它是一種以數字模型文件為基礎，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過打印一層層地黏合材料來制造三維的物體。形象地講，3D打印有如蠶的“吐絲結繭”，再層層黏合成型。

3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。

按照3D打印的成型機理，通常將3D打印分為兩大類：沉積原材料制造與黏合原材料制造，涵蓋十多種具體的三維快速制造技術，較為成熟和具備實際應用潛力的技術有5種：SLA——立體光固化成型、FDM——容積成型、LOM——分層實體制造、3DP——三維粉末黏結和SLS——選擇性激光燒結。

按照材料來分，3D打印機也可分為兩類：第一類是金屬材料增材制造工藝技術，包括激光選區融化（SLM）、激光近凈成型（LENS）、電子束選區熔化（EBSM）、電子束熔絲沉積（EBDM）等；第二類是非金屬材料增材制造工藝技術，包括光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、激光選區燒結（SLS）、三維立體打?。?DP）、材料噴射成型等。在精度上，3D打印已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的分辨率。

總之，3D打印機就是利用光固化和“紙層疊”等技術的快速成型裝置。

4．3D打印機堆疊薄層的形式

① “噴墨”的方式：即使用打印機噴頭將一層極薄的液態塑料物質噴涂在鑄模托盤上，此涂層即可被置于紫外線下進行處理“凝固”，之后鑄模托盤下降極小的距離，以供下一層堆疊上來。

② “熔積成型”技術：塑料在噴頭內熔化，然后通過沉積塑料纖維的方式來形成薄層。

③ “激光燒結”技術：以粉末微粒作為打印介質。粉末微粒被噴灑在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，熔鑄成指定形狀，然后由噴出的液態黏合劑進行固化。

④ 有的則是利用真空中的電子流熔化粉末微粒，當遇到包含孔洞及懸臂這樣的復雜結構時，介質中就需要加入凝膠劑或其他物質以提供支撐或用來占據空間。這部分粉末不會被熔鑄，最后只需用水或氣流沖洗掉支撐物便可形成孔隙。

5．當前成熟的3D專利技術

① FDM——熔融沉積快速成型（fused deposition modeling）。這是目前應用較廣的工藝，FDM是用加熱頭把熱熔性材料（塑料、樹脂、尼龍、蠟等）加熱到臨界狀態，使其呈半流體狀態，然后按照程序文件規定的軌跡運動，并將半流體狀材料擠壓出來，讓材料瞬時凝固，形成有輪廓形狀的超薄層。圖1-6所示的是運用FDM工藝打印出的塑料花瓶。

② SLA——光固化成型（stereo lighigraphy apparatus）。光固化工藝材料是能在紫外線照射下產生聚合反應的光敏樹脂。SLA的過程是，在3D打印前，光固化設備會將物體的三維模型“切片”，讓紫外線沿著零件的各分層截面輪廓，對液態樹脂逐點掃描，被掃描到的樹脂薄層會產生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的超薄固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。

③ 3DP——三維粉末黏結（three dimensional printing and gluing）。

④ SLS——選擇性激光燒結（selecting laser sintering）。

將很薄（亞毫米級）的一層原料（金屬或復合材料、塑料、陶瓷等）粉鋪在工作臺上，將材料預熱到接近熔融點時，按二維掃描軌跡，通過紅外激光束照射，使粉末熔化，被燒結成極薄的實體片層，而未被掃描的粉末仍保持松散狀態。這樣逐層掃描燒結，去掉多余粉末，再適當打磨、處理，獲得零件。

6．3D打印流程

3D打印的流程是：先通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面數據，從而指導打印機逐層打印。圖1-7所示為3D打印流程。

建模后導入成型機里進行處理、設計支撐、分層、合并打印出來。而分層軟件以STL文件格式為基礎，導入前，要先生成STL文件。

目前，設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件。STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。

目前，有人在推廣一種AMF格式的3D打印文件，主要是增加了模型的紋理、顏色、材質等信息，以后可能還會有新的技術出現。

打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式黏合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以制造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素/英寸）或者微米（μm）來計算的。一般的厚度為100μm，即0.1mm，也有部分打印機如Object Connex 系列還有三維Systems ProJet 系列可以打印出厚度僅16μm的薄薄一層。而平面方向則可以打印出與激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50～100μm。 用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天（根據模型的尺寸以及復雜程度而定），而用三維打印的技術可以將時間縮短為數個小時。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印，有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的材料（如可溶的東西）制作支撐物。

三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面處可能會顯得比較粗糙，放大看表面如鋸齒），要獲得更高分辨率的物品可以先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。