3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

最近幾年經(jīng)常聽到3D這個詞，比如3D電影、顯示、掃描、3D打印技術(shù)等。首先我們給3D打印技術(shù)做一個比較完整的定義，3D打印技術(shù)是在計算機(jī)中將物體的三維模型通過分層軟件分成若干層，通過3D打印設(shè)備在一個平面上按照分層圖形、將塑料、金屬甚至生物組織活性細(xì)胞等材料燒結(jié)或者黏和在一起，逐層累計疊加最終形成一個物體。

3D打印技術(shù)的特點(diǎn)：制作周期短、個性化制造、制作材料多樣、制作成本相對低、應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣。

根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)以及所使用的材料，我們分為五大類，光敏固化成型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、分層實體制造和3D打印技術(shù)。

光固化以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機(jī)控制下對紫外激光對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，如此反復(fù)直至完成整個零件的固化成型。

分層實體制造：根據(jù)臨建分層幾何信息，切割箔材和紙張等，將所獲的層面粘接成三維實體。

選擇性激光燒結(jié)：采用激光有選擇的逐層燒結(jié)固定粉末，疊加生成預(yù)定形狀的三維實體零件的一種3D打印方法。

熔融沉積成型：將熱塑成性材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化為液體，由計算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動，以固定的速率進(jìn)行熔體趁機(jī)。

下面重點(diǎn)講一下金屬3D打印技術(shù)。金屬3D打印技術(shù)是當(dāng)今3D打印技術(shù)中最前沿最優(yōu)潛力的技術(shù)，可以分為三種，選區(qū)激光熔化、激光近凈成形技術(shù)，電子束熔融（將激光變成高能電子束，EBM技術(shù)生產(chǎn)出的物件密度高、無空隙且非常堅固，制造出的零件質(zhì)量更高，缺陷是高真空環(huán)境下使用，電子束槍使用起來很復(fù)雜）。

3D打印材料，現(xiàn)階段制約3D打印技術(shù)發(fā)展因素的主要有兩個，打印材料和設(shè)備。目前3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、光敏材料和陶瓷材料。它的形態(tài)一般是粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀。

工程塑料，強(qiáng)度、硬度、耐沖擊性、耐性、抗老化性均比較優(yōu)秀。光敏樹脂由聚合物單體和預(yù)聚體組成的，在一定波長的紫外光照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。橡膠類材料，這種材料具備多種級別的彈性，它具有的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂程度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用。陶瓷材料，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。金屬材料，3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、不銹鋼、鋁合金、高溫合金等，此外還有貴金屬打印材料。所有的材料當(dāng)中鈦合金尤其受到重視，因為密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、是理想的航天航空材料，特別適合利用激光3D打印技術(shù)。不銹鋼是目前最便宜最廉價的3D打印材料，經(jīng)常被用作首飾、功能構(gòu)件等的3D打印。高溫合金因其強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易成型加工和傳統(tǒng)加工工藝成本高等因素目前已經(jīng)成為航空工業(yè)應(yīng)用的主要3D打印材料。

金屬材料之所以打印難度很大，是因為金屬的熔點(diǎn)很高，涉及到金屬的固液相變、表面擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程，需要考慮的問題包括形成的晶體組織是否良好、雜質(zhì)和空隙大小等，另外快速的加熱和冷卻還將引起試件內(nèi)較大的殘余應(yīng)力。

3D打印金屬粉末不同于傳統(tǒng)的粉末冶金需要的粉末特性，不僅要求粉末的純度高，氧含量低，而且粉末的球形度高，良好的流動性和鋪粉均勻性。

目前主要的制備方法是氣霧化法。如果粉末的粒徑越大，球化現(xiàn)象越嚴(yán)重；粒度越小，表面光度度更高，但會造成粉末團(tuán)聚，流動性很差。所以3D打印必須是合適的粒徑范圍達(dá)到精度和流動性的統(tǒng)一。同樣的球形度越好，流動性越好，做出來的3D構(gòu)件密度越高。

我國現(xiàn)在3D打印技術(shù)的材料大多是國外進(jìn)口，這也造成了3D打印產(chǎn)品成本較高，影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。所以未來的任務(wù)是制定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，二是增加相應(yīng)的研發(fā)投入。

未來3D打印材料發(fā)展趨勢：

1.高性能的3D打印金屬材料將成為技術(shù)制高點(diǎn)。

2.3D打印將用于新材料研制。

3.3D打印用耗材生產(chǎn)通用化和專業(yè)化。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用：

1.醫(yī)療領(lǐng)域，現(xiàn)在可以用3D打印制造假牙、股骨頭、膝蓋等骨關(guān)節(jié)技術(shù)應(yīng)用越來越成熟。

2.航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)在國內(nèi)的科學(xué)家在航天器中不斷的嘗試用3D打印技術(shù)，顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?D打印技術(shù)能減輕飛行器的重量同時能減少成本。

3.汽車行業(yè)的應(yīng)用，通過3D打印的方法可以完成汽車零件的定型，再開模具，最后按照傳統(tǒng)方法批量生產(chǎn)，可以使汽車開發(fā)成本大大降低。

4.建筑行業(yè)。運(yùn)行3D打印制造建筑模型，方法快速，成本低。

5.產(chǎn)品的模型設(shè)計，當(dāng)一個產(chǎn)品模型設(shè)計出來之后，通過3D打印出模型能讓設(shè)計部門更好的改良，做出更出色的產(chǎn)品。

目前3D打印的設(shè)備和材料，普遍比較昂貴，并且在規(guī)模化生產(chǎn)方面不具備優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)的材料，3D材料的選擇局限還是比較大的；3D打印的精度和速度還存在一定的沖突。

3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢：

1.未來將會開展更多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、復(fù)合材料。

2.提升3D打印的速度、效率和精度，開拓連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的質(zhì)量、力學(xué)和物理性能。

3.3D打印的體積小型化、桌面化、成本更低廉、操作更簡便。

整體來說3D打印技術(shù)實質(zhì)上反映了制造業(yè)向智能化不斷演進(jìn)的過程，智能化、云端化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化將是3D打印技術(shù)未來的重要特點(diǎn)。

責(zé)任編輯：Arthas