第1章　3D打印基礎概況

1.1　發展歷史

3D打印技術又稱增材制造（additive manufacturing）技術，或者說是增材制造技術的通俗叫法。隨著研究的深入，人們對這個名詞又有了新的認識，這兩個名稱的含義也出現了一些變化，但在大多數情況下，兩者不加區別。它的發展已有幾十年的歷史［1］。據不完全統計，目前市場上有30～40種不同的技術都可以實現3D打印［2］。當前世界公認的第一臺商業應用的3D打印機是美國Charles Hull先生于1986年發明的stereo lithography apparatus，簡稱SLA技術，SLA這項專利，字面翻譯成“立體光印刷設備”，但它與印刷是沒什么關系的。它是利用液態光敏樹脂在光照射下發生光固化反應，液態光敏樹脂凝固成固態的成形原理，通過有選擇地照射，固化成相應的圖案，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技術的特性和商機，Charles Hull先生于是創建了3D Systems公司，在世界范圍內推廣該技術。3D Systems公司也是最早在美國納斯達克上市的3D打印企業。此后，陸續出現了很多類似這種材料堆積成形的技術，人們把這種基于材料堆積成形的技術叫增材制造技術，比如基于塑料絲打印的3D打印機熔融沉積成形（fused deposition modeling，FDM）以及基于粉末材料的激光選區燒結（selective laser sintering，SLS）等等。在眾多的3D打印技術中，最常見的是熔融沉積成形（FDM）3D打印技術，該技術由美國的Scott Crump先生于1988年發明，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，按照預定的軌跡和速率進行熔體逐層沉積，從而實現立體成形［3］。由于該技術具有結構簡單、操作方便、成形速度快、材料種類豐富且成本低等諸多優點，特別是在2003年該技術開源以來，得到了迅速發展，FDM的3D打印技術已經越來越多地應用于各個領域。

在全球3D打印機行業，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產品占據了絕大多數市場份額。此外，在此領域具有較強技術實力和特色的企業及研發團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的3D打印設備開發公司。于2011年11月收購了3D打印技術的最早發明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領域的龍頭地位。Stratasys公司2010年9月與傳統打印行業巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協議，生產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打印系統提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業正處于迅速的兼并與整合過程中，行業巨頭正在加速崛起。

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院獲得唯一授權，將其專利3DP開發成商用3D打印機。3DP（3D printing）技術與噴墨打印類似，它是對噴墨打印機進行了改造，通過噴墨的方式，將具有黏結性的墨水噴射在預先鋪設好的石膏粉上，將石膏粉黏結起來，這樣層層鋪粉、層層噴射黏結成立體模型，與二維平面噴墨打印不同的是，該技術不是打印在紙張上，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，在此技術基礎上，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。600dpi×540dpi的高清分辨率使零件更精細和準確，并能實現全自動設置和監控，無接觸式的粉末和膠料劑加載以及自動化的粉末循環利用，成形尺寸大，層厚可調，非常有利于設計師、工程師和建筑師們以更快的速度創造出更多更大的部件。

1986年美國得克薩斯州立大學奧斯汀分校的在校研究生Carl Deckard在導師Joe Beaman的指導下發明了利用激光選擇性燒結粉末材料成形的SLS技術［5］。具體的技術過程是：將材料粉末或材料及黏結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在一起，得到零件的截面；當一層截面燒結完后，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燒結成形，同時保證新的一層與已經燒結成形的上一層零件截面牢固燒結在一起；如此逐層燒結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），經過幾十年的發展，SLS技術已發展成基于激光選區熔化（SLM）或直接激光金屬燒結（DLMS）的金屬3D打印技術［6～9］。

我國與國外發達國家相比，對于3D技術的研究起步相對較晚。對3D打印技術進行的研究是從20世紀90年代在我國部分重點高校率先展開，包括清華大學、西安交通大學和華中科技大學等，之后北京航空航天大學、西北工業大學、華南理工大學、北京工業大學等一批高校紛紛投入到其中，并取得了一些科研和產業化成果。通過各大高校對3D打印技術的研究成果的引領，依托于各大高校的3D打印設備生產企業也得到蓬勃發展，如北京太爾時代（清華大學）、陜西恒通（西安交通大學）、西安柏力特（西北工業大學）等都是國內知名的3D打印設備生產商。國內企業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先創意。

雖然我國3D打印技術得到了快速的發展與提高，但是在技術研發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定性、成形工件的精度、支撐材料的處理等環節，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打印產業的主要公司每年對3D打印技術研發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打印行業缺少統籌穩定的發展，沒有一定完善的供應商、服務商體系和良好的市場平臺，缺乏完整的產業鏈或產業體系，在技術研發和技術推廣上仍有很大的上升空間。