3D打印的面面观

蒼龙岭

3D打印出现在上世纪80年代末至90年代初，就是在2D平面打印的基础上，增加了一个纵轴成为3D立体打印，在计算机控制下，用无限二维平面不断的叠加，逐层堆叠来构建三维物体的新技术。三维打印机属于工业机器人的一种，打印机是核心设备，能将数字模型转化为物理实体。与传统的数控生产零件，在制造流程中通过车、铣、磨、刨等工艺去除大量的材料不同，首先要有建模软件，把想要打印出的产品在电脑里建出模型，进行数据化表达，为3D打印机能够读取的格。再选择合适的打印材料，不再是墨，通常是塑料、金属、陶瓷、细胞、砂石甚至各种食物。通过高温或者激光的方法被抽成丝状。随后，这些半流体状态的材料按照计算机中的三维模型，喷嘴按照x、y、z三个坐标轴的定位点喷出，然后在指定的位置凝固成形。经过一层一层地堆积后，模型就渐渐形成立体的结构。然后用连接的3D打印机打印出来，与传统的减材制造工艺正好相反，材料不断地在增材制造。其打印出的三维物体可以拥有任何形状和几何特征。不同材料有不同功能的打印机，凭借其独特的制造技术，让我们得以生产前所未有的各类物品，包括实用物品、艺术品、家居用品等。 3D打印的优势主要包括复杂结构的设计得以实现、满足轻量化需求、提升强度和耐用性和节省成本四个方面。可以说未来随着新材料的发展，只要能在电脑上呈现的设计模型都可以用3D打印技术打印出来。 一、3D打印材料3D打印技术真正的优势在于其打印材料，3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，是突破创新的关键点和难点所在，决定着3D打印能否有更广泛的应用。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料、陶瓷材料、石墨烯和复合材料，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。 1.光敏树脂是由高分子组成液体的胶状物质，这类材料在一定波长的紫外光照射下能够快速发生聚合反应而固化为固态的树脂材料，成型后产品外观平滑，可呈现透明或半透明磨砂状态，是制造高精度零件的理想选择，成为3D打印的首选材料。 图片为光固化复合树脂的牙齿及打印岀来的物品。（注：高分子材料也称聚合物，可分为天然高分子材料和与化学合成高分子复合材料两大类。前者如植物纤维、天然橡胶等，后者如橡胶加硫硬化生成硫璜胶，纤维素与硝酸反应生成硝化纤维素。硝化纤维素与樟脑混合反应生成的赛璐珞。常见的应用领域为塑胶、橡胶、纤维。） 2. 塑料塑料是指以高分子量的合成树脂/石油为主要组分，加入适当添加剂，如增塑剂、稳定剂、抗氧化剂、阻燃剂、润滑剂、着色剂等，经加工成型的塑性（柔韧性）材料，或固化交联形成的刚性材料工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，具有强度高、耐冲击性、耐热性、硬度高以及抗老化性等优点，具有较高的热塑性（一般可在100℃～200℃以上高温下长期工作），可进行机械加工、喷漆以及电镀，在许多应用领域中代替金属制造机器零件作为工程材料使用 这些材料通过一次喷射单一材料,或同时喷射多种基本材料来打印应用于制造工业、化工等不同领域的产品。 生物塑料生物塑料不是从化石燃料而是从玉米淀粉和甘蔗中提取的，具有良好的生物可降解性、和再生，十分环保。在医学领域，可用来打印心脏支架等。热固性塑料 以热固性树脂为主要成分，配合以各种必要的添加剂成形成制品的塑料。用于轻质建筑中 应用举例：透明阳光板、齿轮，注射器、眼镜、钓鱼线 目前从汽车发动机或其他机电组件已经转移到了底盘、车身和座椅等结构和装饰部件上都可以用3D打印出来。 3.金属材料金属良好的力学强度和导电性使得研究人员对金属物品的打印极为感兴趣。用于3D打印制造过程的金属材料有：不锈钢粉末：具有良好的耐腐蚀性、强度和韧性，广泛应用于医疗、食品、化工等领域。钛及钛合金粉末：密度小，硬度大，熔点高，抗腐蚀性很强；高纯度钛具有良好的可塑性，可制造飞机发动机部件、人工关节等。 镁铝合金粉末：具有质轻、导热导电性好、强度较高等特点，在航空航天、汽车制造等领域应用较多，可打印复杂结构的零部件以减轻重量。高温合金粉末：能在高温下保持良好的强度、抗氧化性和抗热腐蚀性，如航空发动机的涡轮叶片制造等。图片为航空渦轮机磨损的修复。 4. 陶瓷材料其中包括粘土、高岭土等天然硅酸盐材料和氧化物、氮化物、碳化物等陶瓷材料，具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，是聚合物和金属材料不具备的优点，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。是理想的炊具、餐具和家居装饰材料. 。 5.橡胶材料橡胶类材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗领域的软组织模型，以及汽车内饰、轮胎、垫片等。 6.石墨烯材料石墨烯具有优异的导电性、导热性、力学性能和化学稳定性，还有屏蔽性能。可为可穿戴设备、柔性显示器和传感器等领域提供新的解决方案。用于电子设备制造高性能的电子器件，如纳米电子器件、电极。生物医学设备用于药物传递、生物传感器等。储能设备光电化军电池提高电池的电导率和能量密度。以及超轻型飞机材料等研究领域。这种石墨烯基墨水打印的气凝胶具有优异的电磁干扰的屏蔽性能，能够有效阻挡电磁波的传播，可应用于电子设备的外壳制造和电磁屏蔽涂层。 7. 生物材料生物材料，是以含干细胞、生长因子和营养成分融合细胞材料组成的“生物墨汁”，呈熔化、或粘稠、或凝胶状态，从材料墨盒挤出打印直接移植到体内，经培育处理，形成有生理功能的组织结构，如软骨、皮肤、血管、肿瘤模型。最新研究不但复制出柔软灵活的心脏，还能让这个“假心脏”模拟泵血动作。可用于药物试验的组织和器官。纳米颗粒、纳米纤维和纳米管等不同类型的纳米材料，在打印过程中提供了多种可能性。首先，纳米材料的增强性能使其能够改善打印生物结构的机械强度。例如，碳纳米管（CNTs）和金属纳米颗粒能够显著提升材料的弹性和强度，确保打印出的组织更加坚固可靠，适合用于人体植入物。图为刚打印出来的生物血管，独有的中空结构和多层不同种类的细胞，外层是人工血管，里面半透明的物质就是培养好的干细胞，有仿生功能的干细胞培养体系。 8.复合材料由两种或多种材料组成的复合材料，通过结合不同材料的优点，实现更优异的性能。通常由基础聚合物和增强纤维（碳纤维、玻璃纤维、尼龙玻纤等）组成。具有高强度、耐高温、轻量化，适用于各个行业的应用。图为复合材料制作的假手。 二、打印技术3D打印技术是一种以数字模型为基础，通过逐层堆积材料来制造物体的技术。3D打印经历了多个阶段，日新月异发展到当前的多种成型方式，不断涌现出新的技术和工艺。 3D打印，具有快速成型、个性化定制和复杂结构制造等优势，在航天航空、建筑、医疗、房屋建筑、工艺品、汽车等领域都有广泛应用，3D技术引发了全新的理念与技术手段，智能算法与3D打印的融合，展示了3D打印技术的多功能性和高效性，不仅有助于降低成本，还有助于减少浪费，推动制造业走向更加创新和可持续的未来。 主要打印技术有：1.熔融沉积成型（FDM）也称材料挤压打印。使用热塑性塑料长丝供料，并通过喷嘴逐层沉积。用于任何有机或无机材料和多色打印。图为金属陶瓷挤压打印。 2. 立体光固化(SLA/DLP)使用低功耗激光或投影光源，将光敏树脂逐层转换固化，为三维固体塑料成品的光刻打印技术。研究人员最近使用量子点改进 SLA 3D打印工艺，使树脂光聚合更稳定、更安全。 3. 选择性激光烧结(SLS)使用高能激光将粉末状材料（如塑料、金属、陶瓷等）烧结在一起，形成固体。上海机器人产业园智慧湾主展厅展出的《蒙娜丽莎》像素画，通过SLS激光选区烧结尼龙材料，由130片单元组成，总体尺寸为4550mm*3500mm*45mm，是目前全球最大的3D打印像素画。 4..粘结剂喷射(BJ )使用液体粘合剂快速和廉价的粉末材料（包括金属，砂，聚合物，杂化和陶瓷）逐层粘合在一起形成粘结层，有能力打印非常大的产品。图为，采用粘结剂喷射3D打印相对复杂的零件。 5．材料喷射打印（MJ）将液态材料光聚合物树脂逐滴喷射到打印区，然后在紫外光的照射下固化，逐层构建复杂的3D零件。零件具有非常光滑的表面，是制作美学原型的理想选择，应用于医疗行业，包括解剖模型和具有细如髪丝的微通道的微流体的研究。 6．片材层压（ LO M）选择合适的薄片材料，例如纸张、金属薄片，陶瓷、塑料等，並可混合使用不同材料. 用粘合剂、超声波焊接或热压等方法将材料层粘合在一起，形成三维物体。适合快速原型制作、模型制作和简单零件的制造。 7．粉末床熔融(EBM)选择性激光粉末烧结和选择性热烧结打印技术。使用电子束或激光将材料粉末（金属，陶瓷，聚合物，复合材料和混合材料）熔融，应用于效率至关重要的火箭领域，将两种材料内部晶粒产生粘结，零件不会在巨大的压力和温度梯度变化下发生断裂情况，使其成为航空航天工业的一项宝贵进步。 8. 定向能量沉积(DED)。DED是一种涉及熔化或烧结材料（通常为粉末或线材形式，使用激光或电子束等热源）以逐层构建或修复零件的过程。一旦材料沉积下来，它就会冷却，每一层都与下面的一层融合，形成稳定而坚固的最终结构。在航空发动机单晶涡轮叶片修复中的应用。以上这些技术各有特点，适用于不同的应用场景,每种技术都基于不同的工作原理，以应对加工速度、精度、材料软硬、固液等于不同的应用场景。 后记我最早对3D的认识只限于服装的制作，没有吸引到我的注意力，后来得知3D打印大到可以修复火箭，小到1-2mm的零件都可以打印，打印的材料、技术五花八门，产品更是琳琅满目，吃穿住行用的都能打印，旣新鲜又神奇，为了和大家分享，我选取了部分图片，希望能在3D打印技术领域，也为你增添一些见识。