【科普】3D打印那些事儿

 3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

一. 3D打印发展历史

·1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。

·1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。

·1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。

·2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

·2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

·3D打印图片2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

·2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

·2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。

·2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

·2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

·2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。

·2017年1月16日，科技公司Bellus 3D可完整拍下高分辨率的人脸3D照片，这些照片进行3D打印出的面具与真正的人脸。

·2017年4月7日，德国运动品牌阿迪达斯（adidas）推出了全球首款鞋底3D打印制成的运动鞋，计划2018年开始批量生产，以应对快速变化的时尚潮流，生产更多定制产品。

3D打印类型一览表

二. 常用技术技术介绍

1、熔融沉积造型（Fused deposition modeling，FDM）：FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。

2、光固化立体造型（Stereolithography，SLA）：SLA 光固化设备也会在开始“打印”物体前，将物体的三维数字模型切片。然后电脑控制下，紫外激光会沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。

SLA 工艺的特点是，能够呈现较高的精度和较好的表面质量，并能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。

3、选择性激光烧结（SLS）：先将一层很薄（亚毫米级）的原料粉未铺在工作台上，接着在电脑控制下的激光束通过扫描器以一定的速度和能量密度，按分层面的二维数据扫描。激光扫描过的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。

一层扫描完毕，随后对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，然后再开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，再经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。

目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未实际应用。

4、层片叠加制造（Laminated object manufacturing，LOM）：在层片叠加制造工艺中，机器会将单面涂有热溶胶的箔材通过热辊加热，热溶胶在加热状态下可产生粘性，所以由纸、陶瓷箔、金属箔等构成的材料就会粘接在一起。接着，上方的激光器按照CAD 模型分层数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓。然后再铺上新的一层箔材，通过热压装置将其与下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割。然后重复这个过程，直至整个零部件打印完成。

不难发现，LOM 工艺还是有传统切削的影子。只不过它不是用大块原材料进行整体切削，而是将原来的零部件模型分割为多层，然后进行逐层切削。北京太尔时代最开始研发的3D 打印机也是LOM 工艺的3D 打印机，不过因为采用纸作为原料，用激光切割存在点燃风险，且应用受限，所以太尔时代后来转而主攻FDM 工艺。

5、三维印刷工艺（3D printing，3DP）：从工作方式来看，三维印刷与传统二维喷墨打印最接近。与SLS 工艺一样，3DP 也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件，不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结，而是通过喷头喷出的粘结剂。

喷头在电脑控制下，按照模型截面的二维数据运行，选择性地在相应位置喷射粘结剂，最终构成层。在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个等于层厚度的距离，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由铺粉辊推到成型缸，铺平再被压实。如此循环，直至完成整个物体的粘结。

3D打印概况表

三. 3D打印常见问题及解决方式

1、3D模型打印出现层错位

原因：①切片模型错误；②喷头移动太快；③打印中途喷嘴被强行阻止路径；④电压不稳；⑤机械问题；⑥主板问题。

2、大象脚（当模型的最底层向外微微凸出，这种现象则称为“象脚”）

解决方式：①平衡打印平台温度和风扇转速；②打印平台调平；③检查喷嘴高度；④倒角的模型设计。

四. 3D打印的应用

1、无人机领域

存在的隐患：

①3D打印让无人机遭遇知识产权危机。

②3D打印或加剧无人机黑飞现象。

③3D打印或使无人机生产面临更大的安全风险。

2、家用3D打印机  

考虑的问题：

①机身轮廓（采用全封闭的打印方式，这样不论是从实际应用还是用户心理角度，都能提供最安全的保护，尤其是在家庭使用环境中。对于年幼的孩童来说，全封闭的机身也能最大限度保证儿童的身体安全。）

②观察窗（观察窗应该是多角度的，透明的，以便于使用者尤其是青少年儿童能够观察整个加工过程。）

③界面设计（界面设计更多的是从交互设计和美观设计来考虑，通过各种功能按键的合理化布局，满足使用者在操作过程中最大限度减少误操作，使用户能够更加轻易掌握各项功能的使用。）

④色彩设计（现有的3D打印机大多外观单一，造型冰冷，缺乏情感设计，尤其是色彩单一，大多数是以黑白色为主，很难让儿童产生亲切感。色彩是最具视觉冲击力和表现力的形式要素，因此在桌面3D打印机的设计中，色彩系统在整个方案设计中非常重要。）

3、KAUST的传感器

组成部分：用于监测湿度的空气电容器、电路板，以及一个完整的金属条盒，用于随后的传感器和一个天线。

应用场景：森林火灾、工业泄漏、卫星观测。

4、打印PCB

代表产品：

①北京梦之墨（梦之墨是一种液态金属墨水）墨水可以导电，置入3D打印机中，便可精确地把PCB打印出来。

②沙特阿拉伯的研究团队也研发了一项全新技术，在柔性贴纸上打印电路板。这项技术包括三个不同的制造技术：封装材料的3D打印技术；基于纳米级分子的银材质墨水的喷墨打印技术；将电子电路与物体表面结合的精密卷绕对位技术。

③德国的NexD1，可以一次容纳六个墨盒，并混合不同的材料，如导电树脂等，这种树脂可以打印到与标准PCB同样导电的电路板上。4、以色列和美国合作的DragonFly 2020 3D打印机，汇集了精确的喷墨沉积系统、先进的纳米化学和先进的软件打印技术，可以轻松打印PCB，并且成本更低、打印更迅速。

5、3D打印混凝土技术

性能要求：①可挤出性；②粘聚性；③硬化混凝土的性能（耐久性）。

存在问题：①原材料的问题；②配合比理论的问题；③软件的问题；④成型高度的问题。

研究发展：①混凝土材料的研究；②配套软硬件的研究；③打印工艺的研究。

6、医疗健康

发展状况：

①3D打印卵巢具有生育能力

②3D打印补丁或有望修复心脏病患者受损的心脏

③3D打印技术成功制造出人工血管

④3D打印可定制血管支架

⑤利用干细胞定制具有抗炎作用的3D打印软骨

⑥3D打印“迷你大脑” 解密寨卡病毒

⑦3D打印脑组织 可研究脑疾病

⑧3D打印技术生产血管等复杂组织

⑨世界上首例3D打印药物问世（Aprecia药业制造的药物"Spritam"，主要用于治疗羊癫疯，已经在美国上市。）

五. 新材料、新技术介绍

1、Pidex直觉式设计平台

ANSYS SpaceClaim和湃睿科技联合推出了Pidex直觉式设计平台：采用直接建模与参数化相结合。打破3D设计与3D打印之间的界限、面向增材制造的设计、打印前的分析、清理和修补、轻量化处理、面向增材制造的拓扑优化建模。

特点：

①易用性：4个操作涵盖了80%的功能，揉泥巴的建模方式，让你不用去考虑尺寸，直觉式的操作，半小时就可以上手。

②任意数据采用：直接建模的方式，以几何为核心，可以导入任何3D、2D数据进行操作而不用担心数据来源。

③功能强大去解决棘手的问题：无论是用在快速迭代的概念设计、3D打印、分析模型准备、车间制造、逆向工程，都能让3D 设计变得快捷、容易、柔性和有价值。

2、Hydro-Support

3DFuel推出了一款完全溶于水的3D打印支撑材料Hydro-Support。

3、液态玻璃

德国卡尔斯鲁厄理工学院研究人员巴斯汀·拉普及其同事，发明了一种新技术，他们在标准3D打印机中使用可以自由流动的石英纳米复合材料（被称为“液态玻璃”）制作出复杂的形状，然后经过热加工处理，形成具有较高光学性能的熔融石英玻璃结构。这些结构既光滑又透明，细节特征可以小至几十微米。

4、SMP

来自佐治亚理工学院、新加坡理工大学和设计学院（SUTD）以及中国西安交通大学的研究人员团队最近开发出一种新的3D打印方法，创造出可以永久改变其形状的物体。智能形状记忆聚合物（SMP）。

5、铝合金粉末

SNDVARY(辛德华瑞)经过5年的努力研发出了超高流动性的铝合金粉末。

6、镀镍的OXFAB-Ni

美国高级材料和3D打印公司Oxford Performance Materials（OPM）推出了一款新的PEKK 3D打印材料——镀镍的OXFAB-Ni。

六、国内发展前景

中国工程院有关报告指出，3D技术将对智能生产、智能加工和智能设备带来推动作用。我国3D打印技术应该在可穿戴电子设备、可穿戴器件、个性化手术导板以及一些医疗模型等方面有更大的作为。

上海交通大学数字医学教育部工程研究中心教授王成焘认为，个体化、精准化、微创化、远程化是21世纪临床医学发展的四大方向，其中，数字技术是主要支撑，3D打印技术是重要内容。

据王成焘介绍，目前3D打印技术在临床医学的应用有三大领域——打模型、助力精准手术、量体个性化种植，接下来的研发方向是软组织系统和组织工程支架的3D打印，同时也对模型的物理性能提出更高需求，如能否打印血管肌肉等。据了解，3D打印技术本质上并不是印刷技术，而是一种制造技术，业内也称其为“增材制造”，与传统制造业通过加工原料最终成型不同，3D打印技术是“无中生有”的制作过程，不仅不受原料几何形状的约束，还几乎不产生废料，能有效节约成本。

业内人士认为，3D打印技术更适合“制造和销售高利润的产品和服务，为消费者提供个性化和革命化的体验”，它发展的出路不在于与传统制造业一较高下，而是通过其高度的加工制造柔性与广泛的材料适用性来与传统制造业优势进行互补，以其“精、准、快”的制造特点，促进传统制造业转型升级。