第1章　3D打印基礎(chǔ)概況

1.1　發(fā)展歷史

3D打印技術(shù)又稱增材制造（additive manufacturing）技術(shù)，或者說是增材制造技術(shù)的通俗叫法。隨著研究的深入，人們對這個名詞又有了新的認(rèn)識，這兩個名稱的含義也出現(xiàn)了一些變化，但在大多數(shù)情況下，兩者不加區(qū)別。它的發(fā)展已有幾十年的歷史［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前市場上有30～40種不同的技術(shù)都可以實現(xiàn)3D打印［2］。當(dāng)前世界公認(rèn)的第一臺商業(yè)應(yīng)用的3D打印機是美國Charles Hull先生于1986年發(fā)明的stereo lithography apparatus，簡稱SLA技術(shù)，SLA這項專利，字面翻譯成“立體光印刷設(shè)備”，但它與印刷是沒什么關(guān)系的。它是利用液態(tài)光敏樹脂在光照射下發(fā)生光固化反應(yīng)，液態(tài)光敏樹脂凝固成固態(tài)的成形原理，通過有選擇地照射，固化成相應(yīng)的圖案，這樣層層照射、層層固化，最后固化凝固得到一個三維實體模型。這種成形方式與之前傳統(tǒng)的機加工成形如車、銑、刨、磨等將材料去除加工成形不同之處在于，是將材料堆積而成。看到SLA技術(shù)的特性和商機，Charles Hull先生于是創(chuàng)建了3D Systems公司，在世界范圍內(nèi)推廣該技術(shù)。3D Systems公司也是最早在美國納斯達(dá)克上市的3D打印企業(yè)。此后，陸續(xù)出現(xiàn)了很多類似這種材料堆積成形的技術(shù)，人們把這種基于材料堆積成形的技術(shù)叫增材制造技術(shù)，比如基于塑料絲打印的3D打印機熔融沉積成形（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）以及基于粉末材料的激光選區(qū)燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）等等。在眾多的3D打印技術(shù)中，最常見的是熔融沉積成形（FDM）3D打印技術(shù)，該技術(shù)由美國的Scott Crump先生于1988年發(fā)明，并成立了Stratasys公司。其原理是將絲狀的熱塑性材料從加熱的噴頭擠出，按照預(yù)定的軌跡和速率進(jìn)行熔體逐層沉積，從而實現(xiàn)立體成形［3］。由于該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成形速度快、材料種類豐富且成本低等諸多優(yōu)點，特別是在2003年該技術(shù)開源以來，得到了迅速發(fā)展，F(xiàn)DM的3D打印技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

在全球3D打印機行業(yè)，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領(lǐng)域具有較強技術(shù)實力和特色的企業(yè)及研發(fā)團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的3D打印設(shè)備開發(fā)公司。于2011年11月收購了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。Stratasys公司2010年9月與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協(xié)議，生產(chǎn)HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名的3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當(dāng)前，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。

值得一提的是被3D Systems收購的Z Corporation公司。1995年美國Z Corporation公司從美國麻省理工學(xué)院獲得唯一授權(quán)，將其專利3DP開發(fā)成商用3D打印機。3DP（3D printing）技術(shù)與噴墨打印類似，它是對噴墨打印機進(jìn)行了改造，通過噴墨的方式，將具有黏結(jié)性的墨水噴射在預(yù)先鋪設(shè)好的石膏粉上，將石膏粉黏結(jié)起來，這樣層層鋪粉、層層噴射黏結(jié)成立體模型，與二維平面噴墨打印不同的是，該技術(shù)不是打印在紙張上，而是通過層層打印，可打印出三維物體，因此又被稱為三維打印。之后，在此技術(shù)基礎(chǔ)上，該公司推出了可以噴射彩色墨水的系列三維彩色打印機［4］。它采用的是彩色墨水，在白色粉末材料上進(jìn)行噴射粘接成形，具有打印速度快、材料成本低和可以打印色彩豐富的樣件等特點。該打印機打印效率高，并且是全彩色，配有無色、青色、品紅、黃色和黑色五個打印頭，以390000個獨特顏色外加成千上萬個組合色，提高打印品質(zhì)。600dpi×540dpi的高清分辨率使零件更精細(xì)和準(zhǔn)確，并能實現(xiàn)全自動設(shè)置和監(jiān)控，無接觸式的粉末和膠料劑加載以及自動化的粉末循環(huán)利用，成形尺寸大，層厚可調(diào)，非常有利于設(shè)計師、工程師和建筑師們以更快的速度創(chuàng)造出更多更大的部件。

1986年美國得克薩斯州立大學(xué)奧斯汀分校的在校研究生Carl Deckard在導(dǎo)師Joe Beaman的指導(dǎo)下發(fā)明了利用激光選擇性燒結(jié)粉末材料成形的SLS技術(shù)［5］。具體的技術(shù)過程是：將材料粉末或材料及黏結(jié)劑的粉末混合物鋪撒在一個平面基底上并刮平，用激光器在粉末表面上按零件截面形狀掃描，材料粉末在激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，按照新的零件形狀截面用激光器選擇性地?zé)Y(jié)成形，同時保證新的一層與已經(jīng)燒結(jié)成形的上一層零件截面牢固燒結(jié)在一起；如此逐層燒結(jié)成形直至形成完整的三維實體零件。之后，他們成立了DTM公司（2001年DTM以4500萬美元被3D Systems收購），經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SLS技術(shù)已發(fā)展成基于激光選區(qū)熔化（SLM）或直接激光金屬燒結(jié)（DLMS）的金屬3D打印技術(shù)［6～9］。

我國與國外發(fā)達(dá)國家相比，對于3D技術(shù)的研究起步相對較晚。對3D打印技術(shù)進(jìn)行的研究是從20世紀(jì)90年代在我國部分重點高校率先展開，包括清華大學(xué)、西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等，之后北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等一批高校紛紛投入到其中，并取得了一些科研和產(chǎn)業(yè)化成果。通過各大高校對3D打印技術(shù)的研究成果的引領(lǐng)，依托于各大高校的3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)也得到蓬勃發(fā)展，如北京太爾時代（清華大學(xué)）、陜西恒通（西安交通大學(xué)）、西安柏力特（西北工業(yè)大學(xué)）等都是國內(nèi)知名的3D打印設(shè)備生產(chǎn)商。國內(nèi)企業(yè)處于大體量市場的熱潮中，并且在某些3D打印方面有一定的領(lǐng)先創(chuàng)意。

雖然我國3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展與提高，但是在技術(shù)研發(fā)及投入上仍存在一定的不足，尤其是金屬3D打印方面，例如在打印過程的穩(wěn)定性、成形工件的精度、支撐材料的處理等環(huán)節(jié)，均存在一定的缺陷和有待提高的地方，這些問題或多或少會影響工件的加工制造（而國外一些3D打印產(chǎn)業(yè)的主要公司每年對3D打印技術(shù)研發(fā)方面的投入力度較大，占整個銷售收入的15%左右）［10］，再者我國3D打印行業(yè)缺少統(tǒng)籌穩(wěn)定的發(fā)展，沒有一定完善的供應(yīng)商、服務(wù)商體系和良好的市場平臺，缺乏完整的產(chǎn)業(yè)鏈或產(chǎn)業(yè)體系，在技術(shù)研發(fā)和技術(shù)推廣上仍有很大的上升空間。