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§3D打印技术解密

3D打印的学术名称是增材制造（Additive　Manufag，　AM），或者快速成型技术（RP　Rapid　Prototyping）。考虑到本节主要介绍技术，后续文字将主要采用学术名称。现有的制造技术主要包括四种，分别是：受压成型、减材成型、生长成型和增材制造。受压成型，是指基于材料的可塑性原理，通过模具控型转换材料形态，使其变为某种零件或者产品，例如粉末冶金、铸造和锻压等。减材成型，是指利用电化学或者刀具等办法，剔除毛胚材料中不需要的部分，则剩下的部分就是想要加工的产品或者零件，如车、磨、铣、刨、激光切割和电火花等。生长成型，指的是利用各种材料的活性，成型为需要的产品或者零件，比如动植物的个体发育等。增材制造，是指通过化学、物理、机械等方法，有序添加材料，从而像搭积木一样，使其堆积成型。

增材制造技术，可以迅速、精确地制造零件或者产品，却不使用传统的加工方法或者加工设备，从而能够有效减少研发周期，降低开发成本，提高产品质量。它改变了过去的流水线生产模式，降低了企业对劳动力和生产空间的依赖，对零件或产品的加工模型产生革命性的影响。下文将逐一介绍增材制造技术的原理、典型技术并进行比较分析。

3D打印的技术原理

1。增材制造技术的原理和分类

（1）增材制造技术原理

增材制造技术由CAD数据模型驱动，从而快速制造出各种形状的三维实体。该技术集成了机械工程技术、激光技术、数控技术、材料科学和计算机技术等，将三维几何CAD模型分层离散化，采用粘结、烧结或熔融等特殊加工技术，逐层堆积材料，从而形成各种实体零件或者产品。

该技术的成型过程是：①通过计算机绘图软件设计数字模型。②对模型进行分层切割，得到每一层的二维轮廓。③对每一层的二维轮廓进行处理，形成二维平面轮廓形状。这里涉及的技术有很多，例如：采用激光束，固化每一层的液态光敏树脂，烧结每一层的粉末材料，或者用喷射源处理每一层的热溶性或者粘结剂等材料。④将所有层叠加在一起，最终得到三维实体。

（2）增材制造成型材料

快速成型技术的研发基础是成型材料。成型材料一方面影响成型速度，形状精度，另一方面还影响着成型实体的应用领域和设备选用。可以说，成型材料既推动成型技术的发展，又制约着成型技术的研究。在各种成型技术涌现的背后，其实质是成型材料的不断被发现。

成型材料按照技术目标来分，主要分为模具型、功能测试型、概念型等。模具型指的是成型材料可以使用具体的模型进行制造。以消失模铸造用到的原型材料为例，其要求加工成型之后，能够便捷地取出零件之外的废弃部分。功能测试型，要求成型材料具有一定的刚度、强度、抗腐蚀性、耐热性等。当用于装配测试时，还要求成型材料具有更高的精度。概念型对成型材料的主要要求是，成型速度快，但对物理、化学、精度等要求并不高。以光固化树脂材料为例，其要求具有粘度较低、穿透深度较大、临界曝光功率较低等特点。表2-4列出了一些常用的成型材料。

（3）增材制造基本工艺步骤

增材制造的基本工艺流程如图2-6所示，主要包括四个步骤，分别是CAD模型的建立、前处理、原型制作以及后处理。

CAD模型的建立：三维CAD数据模型直接驱动着增材制造系统，因此，增材制造工艺的第一个流程应该是设计产品的三维CAD数据模型。现在常用的建模方法有两大类。第一类是正向建模法，用三维设计软件直接构建，比如用UG、Solidworks、I-DEAS、ProE等。第二类是用逆向建模法，首先用激光或者CT断层扫描已有的三维实体，获取三维点云数据，再用具有逆向工程功能的一些软件，构造出三维实体的三维数据模型。目前各软件广泛接受的数据文件格式为STL，因此，首先要用大量的小三角形平面，逼近原实体模型，对原三维数据模型进行近似处理。

前处理：选择适宜的成型方向，沿着成型高度的方向，用一系列间隔相同的平面切割三维模型，从而得到切割层的二维轮廓信息。常用的间隔高度为0。05-0。5mm，现有技术得到的最小间隔高度为0。016mm。间隔高度和成型精度、成型时间、成型效率等有直接关系。越小的间隔高度，代表了越高的成型精度和越长的成型时间，以及越低的成型效率。

原型制作：采用成型头，在计算机的控制下，按照各层截面的轮廓信息，进行二维扫面运动，将各层材料进行堆积和粘结，得到最终的三维实体。成型头可以采用激光头或者喷头等。

后处理：后处理的目的包括提高产品强度、降低产品表面粗糙度等，其工艺包括修补、打磨、后固化、剥离、抛光及涂刮等。

（4）增材制造技术的分类

增材制造技术涉及当今很多高科技，比如材料技术、激光加工技术、数控加工技术、计算机辅助设计与制造等。伴随着各种技术的飞速发展，从1986年增材制造技术的诞生到现在，已经涌现了三十余种增材制造加工方法，未来可能还会有更多的加工方法陆续出现。增材制造技术的分类有很多标准，如按照成型技术的能源，可分为激光和非激光加工两种方法；如按照成型材料的形态，可分为金属、非金属粉末、丝材、液态和薄材这五种。

按成型材料的形态、特征和性能分类：

①液态聚合固化技术：原材料为液态聚合物，固化方式为采用光能、热能等。

②烧结与粘结技术：原材料为固态粉末物，通过激光烧结或者粘结剂粘结等方式形成实体。

③丝材、线材融化粘结技术：原材料为丝材或线材，粘结技术是升温熔融，按照事先制定好的路线将各层堆积起来，形成三维实体。

④板材层合技术：原材料是固态板材或膜，通过塑料膜光聚合作用将各个薄层进行粘结，或者直接粘结。

按加工制造原理分类：

①光固化成型技术（Stereo　Lithography　Apparatus，　SLA）：原材料为光敏树脂。通过计算机的控制，紫外激光束逐点扫描各分层截面轮廓的轨迹，使得被扫描区内的树脂薄层因为发生光聚合反应而固化，成为薄层截面。完成一个薄层的固化后，工作台再向下一个薄层移动，通过循环扫描和固化，在新固化的树脂表面，又粘结了一层新的树脂表面。各层堆积在一起后，整个产品原型就形成了。

②分层实体成型技术（Lami　Manufag，　LOM）：依据二维分层模型的数据结果，采用激光束将成型材料按照产品模型的内部和外部轮廓进行切割，并同时进行加热，使得刚刚完成切割的薄层和其下方已经被切割的薄层粘结起来。不断循环如此，最终形成三维产品原型。

③熔融沉积成型技术（Fused　Deposition　Modeling，　FDM）：通过热熔喷头，按照模型分层数据的控制路径，从喷头挤出熔融状态的ABS丝，在特定的位置进行沉积、凝固、成型。通过层层的沉积和凝固，最终得到整个三维产品。

④选择性激光烧结技术（Selected　Laser　Sintering，　SLS）：首先由计算机对产品模型进行分层并输出分层的轮廓，再按照指定的路径，采用激光束对工作台上选择区域内已经均匀铺层的材料粉末进行扫描和熔融，致使粉末材料形成烧结层，待各个层都进行烧结后，去除掉剩余粉末，得到产品原型。

⑤三维打印技术（Three　Dimensi，3DP）：和喷墨打印机相似，三维打印技术首先在工作台上铺上粉末，根据特定的路径，采用喷头在分层制定区域喷涂液态粘结剂，当粘结剂固化以后，剔除多余的材料就可以得到三维产品原型。

2。光固化成型（SLA）技术

SLA技术是目前应用比较广泛的一种增材制造技术，其发展已经比较成熟。模型的厚度范围是0。05～0。15mm，其成型的产品精度高，尺寸精度高达0。2%。SLA技术最初由美国专家Charles。W。Hull提出，在1984年申请到了美国专利，两年后，他成立3D　Systems公司，再过两年后，该公司研发了世界上首台商用的3D打印机，其名称为SLA-250。

（1）技术原理

该工艺的原材料是光敏树脂，通过计算机的控制，采用紫外激光扫描液态光敏树脂，并使其逐层凝固，最终成型。SLA工艺过程简洁、且全程自动化，制造出的模型精度非常高。图2-7为SLA技术的基本原理。

具体流程为：