第一章　3D打印

第一节　概述

1．为什么叫“打印”

3D打印机的结构和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理也是一样的。3D打印与激光成型技术类似，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。普通的3D打印机使用“喷墨”方式，只是喷出的“墨滴”是熔融的塑料、金属、陶瓷以及特殊合金等，即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料等物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。还有的3D打印机使用“黏结、固化”方式，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊“胶水”，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替堆叠下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而这些粉末还可循环利用。如图1-1所示的是两种精度较高的桌面工业级3D打印机。

3D打印机（3D printers，3DP）是由一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的，它不仅可以“打印”机械零件、个性化服装、完整的建筑、骨骼、假牙，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印所需的物品。图1-2所示的是3D打印机打印出的私人订制的时装、工艺品、房屋。

2．3D打印与普通打印的不同

常见的桌面打印机（喷墨打印机）和3D打印机最大的区别是维度问题：桌面打印机是二维打印，即在平面纸张上喷涂彩色墨水；而3D打印机也是喷涂“墨水”，一层层打印，堆积黏合成可以拿在手上的三维物体，只是这“墨水”是熔融的金属、塑料、陶瓷以及特殊合金等。图1-3所示的是一种国产3D打印机在逐层打印工艺品。图1-4所示的是3D打印机打印出的机件。图1-5所示的是3D打印机打印出传统工艺难以制造的物品。

3D打印机与传统打印机的另一个区别是，它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的材料种类多样，如塑料、金属、陶瓷以及橡胶类物质等。有些打印机还能结合不同材质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

3．3D打印机的技术原理

“3D打印”是一类将材料逐层叠加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，区别于传统的“减材制造”，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合在一起，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

3D打印是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备——3D打印机，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。

3D打印是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“减材制造”。传统制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。 而“增材制造”不需原坯和模具，就能直接根据计算机的三维图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成型技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过打印一层层地黏合材料来制造三维的物体。形象地讲，3D打印有如蚕的“吐丝结茧”，再层层黏合成型。

3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA——立体光固化成型、FDM——容积成型、LOM——分层实体制造、3DP——三维粉末黏结和SLS——选择性激光烧结。

按照材料来分，3D打印机也可分为两类：第一类是金属材料增材制造工艺技术，包括激光选区融化（SLM）、激光近净成型（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）、电子束熔丝沉积（EBDM）等；第二类是非金属材料增材制造工艺技术，包括光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、激光选区烧结（SLS）、三维立体打印（3DP）、材料喷射成型等。在精度上，3D打印已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的分辨率。

总之，3D打印机就是利用光固化和“纸层叠”等技术的快速成型装置。

4．3D打印机堆叠薄层的形式

① “喷墨”的方式：即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层即可被置于紫外线下进行处理“凝固”，之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。

② “熔积成型”技术：塑料在喷头内熔化，然后通过沉积塑料纤维的方式来形成薄层。

③ “激光烧结”技术：以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷洒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态黏合剂进行固化。

④ 有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

5．当前成熟的3D专利技术

① FDM——熔融沉积快速成型（fused deposition modeling）。这是目前应用较广的工艺，FDM是用加热头把热熔性材料（塑料、树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，使其呈半流体状态，然后按照程序文件规定的轨迹运动，并将半流体状材料挤压出来，让材料瞬时凝固，形成有轮廓形状的超薄层。图1-6所示的是运用FDM工艺打印出的塑料花瓶。

② SLA——光固化成型（stereo lighigraphy apparatus）。光固化工艺材料是能在紫外线照射下产生聚合反应的光敏树脂。SLA的过程是，在3D打印前，光固化设备会将物体的三维模型“切片”，让紫外线沿着零件的各分层截面轮廓，对液态树脂逐点扫描，被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的超薄固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。

③ 3DP——三维粉末黏结（three dimensional printing and gluing）。

④ SLS——选择性激光烧结（selecting laser sintering）。

将很薄（亚毫米级）的一层原料（金属或复合材料、塑料、陶瓷等）粉铺在工作台上，将材料预热到接近熔融点时，按二维扫描轨迹，通过红外激光束照射，使粉末熔化，被烧结成极薄的实体片层，而未被扫描的粉末仍保持松散状态。这样逐层扫描烧结，去掉多余粉末，再适当打磨、处理，获得零件。

6．3D打印流程

3D打印的流程是：先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面数据，从而指导打印机逐层打印。图1-7所示为3D打印流程。

建模后导入成型机里进行处理、设计支撑、分层、合并打印出来。而分层软件以STL文件格式为基础，导入前，要先生成STL文件。

目前，设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件。STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

目前，有人在推广一种AMF格式的3D打印文件，主要是增加了模型的纹理、颜色、材质等信息，以后可能还会有新的技术出现。

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以制造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素/英寸）或者微米（μm）来计算的。一般的厚度为100μm，即0.1mm，也有部分打印机如Object Connex 系列还有三维Systems ProJet 系列可以打印出厚度仅16μm的薄薄一层。而平面方向则可以打印出与激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50～100μm。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天（根据模型的尺寸以及复杂程度而定），而用三维打印的技术可以将时间缩短为数个小时。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印，有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的材料（如可溶的东西）制作支撑物。

三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面处可能会显得比较粗糙，放大看表面如锯齿），要获得更高分辨率的物品可以先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。