3d打印技术及应用现状

第21卷第6期 2019年12月

黄冈职业技术学院学报 Journal of Huanggang Polytechnic

Vol.21 No.6 Dec.2019

3D打印技术及应用现状

黄常翼34，冯 阳

（黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438002）

摘 要：随着工业4.0的概念的兴起，世界制造业正经历一场深刻地变革。3D打印技术作为一项前沿性的先进制造技术，正成为世界各国研究的热点方向，快速改变人们的生产生活，并在工业、生物医学、文化创意、建筑等领域发挥着重要的引领作用。本文系统性地阐述了3D打印技术的原理、典型工艺和特点，并总结了3D打印技术在工业、生物医疗和文化创意方面的研究现状，对未来3D打印技术发展方向进行了展望，为系统全面的了解3D打印技术提供指导意义。

关键词：3D打印；智能制造；个性化设计；工业应用 中图分类号：TP271.2

3D打印（3D printing）起源于20世纪70年代，亦称“增材制造\"（additive manufacturing），是一种通过逐层累积方式制造零件或产品的先进制造工艺。类似的名称还包括“分层实体制造”（Laminated Object Manufacturing），“熔化沉积制模”（Fused Deposition Modelling），“激光金属沉积”（Laser Metal Deposition）等。

3D打印技术作为一种先进制造技术，被称为可能改变世界的第三次工业革命。2012年，英国《经济学人》杂志在《第三次产业革命》一文中，将3D打印制造技术作为第三次工业革命的重要标志之一。美国总统奥巴马也提出了美国增材制造计划，将3D打印技术纳入国家战略技术，并称之为“未来制造业发展的必然超势”。从此，3D打印技术异军突起，风靡全球。3D打印正快速影响着人们的生活方式，目前已经衍生出多种新工艺，使得批量定制成为可能，特别是FDM的出现，使得普通家庭亦可打印塑料零部件，其应用前期广阔。 1 3D打印技术简介 1.1 基本原理

按照材料加工方式，现代制造技术分为三种，一为车铣创磨、切削加工等，其材料为去除方式，故称减材制造；二为铸锻成形等，其材料在加工过程中并不减少亦不增加，即等材制造；三为称 收稿日期：2019-11-02

作者简介：黄常翼，男，贵州思南人，工学硕士，工程师。研究方向：教学诊断与改进,先进模具设计与制造技术。

[4]

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[1]

+

文献标志码：A 文章编号：1672-1047（2019）06-0126-04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1047.2019.06.34

为3D打印的增材制造，其材料为增加方式。3D打印是一项涉及材料、制造、控制以及信息技术等多学科的新兴技术，其过程是首先获得零件的三维CAD模型，对模型进行分层切片处理，然后规划打印轨迹，进行逐点逐层堆积成形，最终打印成所需零件，如图1所示。

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图 1 3D打印原理

1.2 3D打印技术的特点

（1）材料多、应用广。3D打印可成形任意材料、任意形状的零件，在航空航天、能源交通、汽车、医疗及文化创意等领域具有广泛应用。

（2）能打印传统制造模式不能生产的零件。3D打印技术因其逐点成形，理论上可成形任意复杂结构、镂空结构和内部中空结构的零件。

（3）无需考虑约束。传统制造模式中，零件设计者往往需要考虑最终的加工制造性，而3D打印则解脱了设计者的束缚，使设计者的创意得到更大发挥，实现所见即所得。

（4）免装配。30打印甚至可以实现多个零件的一次性打印，无需装配，缩短制造流程，降低生产成本。

[6]

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近年来，3D打印技术发展势头强劲，诞生了一系列实力雄厚技术先进的企业，如美国的3D Systems、ARC Group和Stratasys，德国的Concept Laser Gmbh、SLM Solutions和EOS等[7]

。国内的研究机构则比较多，如清华大学、华中科技大学、西北工业大学、北京航空航天大学等，见表1。国内高校等研究机构经过多年努力，增材制造技术水平已处于世界先进水平[8]

。

表 1 金属3D打印国内研究机构

序号 单位 代表人物 工艺 产品 1 北航 王华明院士 LMD 航空部件 2 华科 史玉升 SLM 航空部件、汽车部件、骨骼 3 西工大 黄卫东 LMD 航空部件 4 清华 颜永年 FDM 塑料 5

西交大

卢秉恒院士

SLA

树脂、芯片

2 典型3D打印技术

经过几十年的发展，3D打印技术已经衍生出包括FDM、SLM等在内的20多种工艺，而这些工艺都是基于增材制造原理，不同的是材料、热源等，下面介绍几种典型的3D打印技术[9-10]

。

2.1 光固化成形SLA

光固化成形（Stereo lithography apparatus, SLA）采用紫外光作为热源、液态光敏树脂为材料，通过逐层堆积，制造实体模型，如图2所示，类似的名称还包括立体光刻、立体印刷等。SLA也是目前发展得最成熟的打印技术之一。与其他3D打印技术相比，SLA具有较高的成形精度、简单的后处理工艺等特点，但是也存在由于扫描速度较慢导致局部材料没有完全固化等缺陷。

图 2 SLA

基本原理

2.2 熔化沉积制模FDM

熔化沉积制模（Fused deposition modeling, FDM）采用丝状塑料作为材料，通过加热喷头挤出丝材，使其熔化形成实体模型，如图3所示，FDM也称熔融挤出成形，已发展成桌面级3D打印技术，是目前应用最广泛的3D打印技术之一。

FDM的打印过程类似于挤牙膏，该打印设备具有简单、便宜、成本低等优点，适合于普通家庭使用。FDM采用的丝材一般有ABD、PLA、尼龙等，亦可采用复合材料，如低熔点合金等。不过，FDM在成形悬臂结构时需要支撑，导致打印时间较长，同时后期需要去掉支撑，由于丝材较粗，成形表面具有明显的条纹，因此打印精度稍低。

图 3 FDM基本原理

FDM的关键部件是热熔喷头，其温度对成形质量影响较大，温度过低丝材不易熔化，温度过高则丝材难以保持一定形态，因此合理控制温度至关重要，需要综合考虑材料特性，如熔融温度、粘度和收缩率等。

2.3 选区激光烧结SLS和选区激光熔化SLM

选区激光烧结（Selected Laser Sintering, SLS）技术采用激光为热源，将粉末材料均匀铺在工作台上，通过振镜的快速扫描，选择性地烧结粉末材料打印零件的一个切片，然后工作台下移一定高度，重新铺粉，重复上述烧结过程，即可打印实体模型，如图4所示。SLS使用的材料涵盖范围广泛，包括金属粉末、陶瓷粉末、高分子粉末等，由于粉末粒度较小，故成形零件精度较高，是目前成形精度最高的3D打印技术。选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）则与SLS类似，只不过是激光作用与粉末材料时，粉末材料发生熔化，SLM采用的粉末粒度一般为30um以内，打印层厚为20~100um，可打印不锈钢、钛合金、铝合金等零件。

图 4 SLS/SLM基本原理与系统组成

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2.4 激光金属沉积LMD

激光金属沉积技术(Laser Metal Deposition, LMD)是快速成形技术的“叠层累加”原理和激光熔覆技术的有机结合，以激光为热源（采用高功率激光器），以金属粉末为成形原材料，通过CAD模型分层切片和路径规划获得激光运动轨迹，逐点逐层熔化同步送进的粉末，实现金属零件的打印，如图5所示。

图 5 LMD基本原理

目前，LMD技术可用于制造成形金属注射模、修复模具和大型金属零件、制造大尺寸薄壁外形的整体结构零件，也可用于加工活性金属如钛、镍、钜、钨、铢及其它特殊金属。

LMD可用于直接制造大型金属零部件、结构件等，以及大型金属零件的修复，如飞机上机匣、模具修复等。

2.5 电弧熔丝沉积制造WAAM

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）是电弧为热源，以金属丝材为原材料，按照规划的轨迹移动机器人，通过层层堆积打印三维实体零件，如图6所示。WAAM系统一般包括焊接电源、运动执行机构如机器人、工作台等。

图 6 电弧增材制造技术原理与系统

WAAM具有设备成本低，生产运行费用低，设备维护简单的优点。其丝材利用率接近百分之百，节约了成本，尤其对于比较贵重的合金材料非常必要。近年来，WAAM技术已经研究得比较成熟，如克莱菲尔德大学采用MIG技术打印了钛合金框架，其打印时间为1h，材料利用率高达90%以上[11]

。国外研究机构主要有英国洛克希德-马

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丁、欧洲空客和法国Astrium等公司，他们采用WAAM制造了钛合金等大型结构件的直接打印，节约了生产成本

[12]

。

武汉理工大学秦训鹏教授将WAAM技术与机器人结合建立了机器人电弧熔丝增材修复系统（图7），主要包括扫描仪、机器人、焊接电源、图形工作站及辅助设备。自主开发了随形切片和轨迹规划软件系统[13]

，该系统已成功地应用于车桥模具、滚锻模、切边模、叶片模具、起落架模具等模具零件的增材再制造修复。

图 7 武汉理工大学机器人WAAM系统

3 3D打印技术发展趋势 3.1 材料多样化、通用化

目前打印材料较为单一，主要为丝材和粉材，未来可考虑多材料3D打印，满足用户需求，其中彩色打印也是一个趋势。此外，相应的行业标准也应制定，以使打印材料和打印设备具有通用性

[14-15]

。

3.2 复合3D打印

3D打印技术因其个性化受到关注，但仍然存

在打印时间长、精度低和力学性能不足等缺陷，若与传统制造工艺相结合，降低成形时间，提高成形质量，将具有非常重要的应用前景[16]

。 3.3 便携化、智能化

随着机械零件的轻量化和集成化开发，未来将会出现适合轻量化、集成化金属零件3D打印技术及其装备，即便携式金属3D打印设备。这种设备将成为今后人们生产和工作中的实用工具，颠

覆传统制造方式[17]

。3D打印的智能化，将使得打印设备可与人结合，模拟专家的思维，实现对打印工艺的实时动态调控。 3.4 太空3D打印

3D打印可应用在航天领域，实现太空环境下的零件打印。这是因为在太空中，材料或零件的更换较为昂贵，采用3D打印直接制造零件，且现场更换，但是由于太空环境的复杂性，3D打印设

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备能否稳定运行也是目前的一大难题。 3.5 4D打印技术

4D打印是在传统3D打印的基础上增加了一个时间轴变量，能够打印更加复杂的自主变形结构

[19-20]

。2015 年 1 月，在美国 CES 消费电子展

上，Tibbits 打印出一件镂空的连衣裙，解决了不合身问题，能根据用户体型自行改变大小。

Tibbits还打印出了世界上第一双 4D 鞋，可以根据人脚的形状和大小自我调节，附有弹性的材料可以让制鞋的成本缩减到最小。 4 结语

3D打印在国内外都受到了广泛关注，且大量的科研机构和企业均对这项技术进行了研究。我国也在2015年推出《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》以及《中国制造2025》，里面均提到将增材制造技术作为重大技术创新推进，体现了国家层面对3D打印技术的重视。同时，3D打印亦可与互联网（如云计算）、大数据以及智能机器人等领域相结合，打造智能工厂，实现智能制造。在由“中国制造”向“中国智造”的发展进程中，3D打印必将发挥重要的角色。

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[责任编辑：罗幼平]

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