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3D打印技术及应用趋势
作者:任何东杨景宇李超林刘海琼张小山
来源:《成都工业学院学报》2018年第02期
摘要:采用文献研究法,以3D打印技术作为研究对象,具体介绍3D立体光刻技术、喷
墨印刷技术、选择性激光烧结/熔融技术、熔融沉积造型术、叠层实体制造技术和定向能量沉
积技术的特点,以及3D打印技术的应用领域。结果表明,3D打印技术作为智能制造技术研究
的热点之一,在生物医药、建筑行业、教育科研、食品等领域都得到了广泛应用,未来发展前
景良好;但3D打印技术也面临着诸多挑战,如法律不完善、材料局限性太大等,这也是未来
3D打印技术领域亟待解决的关键问题。
关键词:3D打印技术;技术特点;应用领域;挑战
中图分类号:TP237文献标志码:A
文章编号:2095-5383(2018)02-0030-07
3DPrintingTechnologyanditsApplicationTrend
RENHedong,YANGJingyu,LIChaolin,LIUHaiqiong,ZHANGXiaoshan
(SchoolofMaterialsEngineering,ChengduTechnologicalUniversity,Chengdu611730,
China)
Abstract:

3DStereoLithography(SLA),InkjetPrinting,SelectiveLaserSintering/Melting
(SLS/SLM),FusedDepositionModeling(FDM),LaminatedObjectManufacturing
(LOM)andDirectedEnergyDeposition(DED)wasanalyzedintermsoftheircharacteristicsas

thehottopicsintheresearchofintelligentmanufacturing,ittechnologyisusedwidelyinthefields
ofbiomedical,buildingtrades,educationandresearch,,3Dprinting
technologyisalsoconfrontedwithpotentialchallengessuchasimperfectregulationsandlimited
materials,whicharethecriticalproblemstobesolved.
Keywords:3DPrintingTechnique;technicalfeatures;applicationfields;challenges
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打印(3D3Dprinting)是一种快速成型的新兴技术,通过材料的连续堆叠实现各种三维实
体的成型。传统成型是基于材料的等材或减材制造,如挤塑成型和压铸成型。模具有固定的形
状与尺寸,能降低成本,实现大批量制造。但对于结构复杂、数量少、个性化的定制产品,传
统的减材制造存在工序复杂、开模成本高、浪费等诸多缺点。3D打印作为一种增材制造
(additivemanufacturing)技术,直接以数字模型为基础来构造物体,可大大降低人力成本,
在小批量、个性化产品的制造方面具有明显的优势。根据WohlersAssociates公司的研究报
告,全球3D打印市场规模在正不断扩大。2017年3D打印市场销售额达到74亿美元;预计到
2020年,这一数值将超过117亿美元。自20世纪80年代至今,3D打印技术发展迅速,已广
泛运用于汽车、医疗、航空航天、教育科研、消费品等领域。本文在查阅大量文献和实践调研
的基础上,分别从3D打印技术的概念、技术特点、材料及其应用趋势等方面进行介绍;并在
此基础上,进一步分析3D打印技术的面临的挑战和未来的发展方向[1]
。
1打印技术的3D历史
1983年,CharlesHull发明了光固化立体造型术(StereorLithographyApparatus,SLA),
并成立了一家名为3DSystem的公司。1987年,该公司利用SLA技术制备了第一台3D打印机
StereorLithographyApparatus和第一台商用机型SLA250[2]。1990年,Crump申请了熔融沉积
造型术(FusedDepositionModeling,FDM)专利[3],加速了3D打印技术的发展。1993年,
麻省理工学院的MichaelCima和EmanuelSachs教授发明了第一台用于塑料、金属和陶瓷制品
的3D打印机[4]。随后,大量生产3D打印机的公司应运而生,如Stratasys、ZCorporation、
Helisys、Organovo。2000年以后,3D打印技术逐渐从工业领域延伸到私人、政府机构,甚至
医疗、食品和时尚领域[5-6]。尽管在生物医药方面的应用受到目前技术的限制,但3D打印技
术在打印生物器官和组织方面仍有着广泛的应用前景。
2打印技术3D分类
在进行实物打印之前,人们通过计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)完成产
品的预先设计。例如,首先通过CAD得出产品的原型,再转化为能够在CAD和3D打印机之
间兼容的STL(StereorLithography)格式文件。STL文件保存着产品原型每一面的数据信息
[7],通过切片和逐层打印实现3D造型[8-9]
。在医疗领域,计算机X射线断层术、激光扫描、核磁共振成像等也被用于3D产品的原
型图纸设计。同样,这些技术可与CAD相结合生成STL格式文件,从而实现3D打印。根据
制造技术的不同,每一层的厚度在25~100μm之间[10]
,每一层厚度的控制将直接影响产品的精度,因而改进切片算法能有效提高产品的质量
[11-13]。
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目前常用的3D打印技术包括:3D立体光刻技术(3DStereoLithographyAppartus,
SLA)、喷墨印刷技术(InkjetPrinting)、选择性激光烧结/熔融技术(SelectiveLaser
Sintering/Melting,SLS/SLM)、熔融沉积造型术(FusedDepositionModeling,FDM)、叠
层实体制造技术(LaminatedObjectManufacturing,LOM)和定向能量沉积技术(Directed
EnergyDeposition)。这些技术各有优缺点,为提高打印质量和实现工业化应用,人们也正在
积极地开发新的打印技术,如多射流熔融技术、电子束熔融技术等。
(3DSLA)
SLA是最早商用化的打印技术[14-21],根据照射方式的不同,可分为直接光刻和掩膜光刻
法。直接光刻法基于直接光固化技术,如图1a所示。容器中存有光致聚合的液体树脂,这种
树脂在一定波长和强度的紫外光(如波长λ=325nm)的照射下会迅速发生聚合反应,由液体
转化为固体。成型开始时,承物台位于液面以下一定距离,然后用激光在液体树脂表面逐行扫
描直至顶层需固化的液体树脂全部固化。将承物台下移一定距离,使液体树脂重新覆盖固化树
脂表面以重复光固化过程[22]。掩膜光刻法与直接光刻法的不同在之处于激光路径和承物台的
移动方向。如图1b所示,承物台位于下液面上方一定距离,然后通过窗口引导激光以固化承
物台和下液面之间的液体树脂。将承物台上移一定距离,重复光固化过程。SLA中,紫外光源
和光敏树脂材料是两个重要的影响因素,而很大程度上,光敏树脂限制了可用的光源。目前,
常用的树脂有环氧树脂、丙烯酸基树脂等。
SLA采用液体树脂作为打印材料,因而具有一系列明显优势。
SLA可成型任意复杂零件,零件越复杂,越能体现出该技术的优势。液体树脂表面起伏位
于纳米-微米尺度,使得打印制件表面精度高
(~),表面光洁度好,且可重复利用未成型的树脂,原料重复利用率可达
100%。但SLA也存在一些缺点。打印过程中需要设计支撑结构才能保证制件可靠定位。液体
树脂成型后的性能尚不如工业塑料,使用温度不能超过100℃,且在使用过程中容易发生老
化、尺寸收缩等问题。此外,液体树脂价格昂贵(超过1000元/kg),固化过程中会产生刺激
性气体。目前,SLA主要用于原型制作和部分零件生产。
喷墨印刷技术()
喷墨印刷技术(如图2所示)最早由Lord在1878年提出,包括两种方式:连续喷墨和按
需喷墨。连续喷墨利用该一个静电喷头将油墨液滴导向待印刷的粉体。按需喷墨在喷头上施加
了电压和脉冲压力来引导油墨喷出,从而减少了油墨的浪费,简化了制备工艺。喷墨印刷技术
所用打印材料通常是固体粉末颗粒,如陶瓷、[23-
25],料间的粘合与固化主要依靠粘合剂,因而也大大拓宽了喷墨印刷技术的应用领域。