3D打印，只是增材制造工藝的一種，它不是準(zhǔn)確的技術(shù)名稱，但是最為形象通俗。指通過(guò)離散-堆積使材料逐點(diǎn)逐層累積疊加形成三維實(shí)體的技術(shù)。根據(jù)它的特點(diǎn)又稱增材制造，快速成形，任意成型等。本文將用3D打印及快速成型技術(shù)來(lái)表述說(shuō)明。

1、3D打印優(yōu)勢(shì)

圖1 3D打印的優(yōu)勢(shì)

縮短產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間：用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)部件或原型往往需要數(shù)周，而使用3D打印技術(shù)，則可以將時(shí)間縮短至數(shù)天乃至數(shù)小時(shí)，使得單件試制、小批量出產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的出產(chǎn)。

制造更為復(fù)雜的零件：傳統(tǒng)工藝物件的形狀越復(fù)雜，加工難度就越高，制造成本也就越高。而3D打印技術(shù)不受物件形狀的影響，可以制備出各種復(fù)雜的成品，還可以作出傳統(tǒng)工藝所不能做出來(lái)的形狀。

降低個(gè)性化訂制成本：個(gè)性化定制產(chǎn)品往往成本較普通產(chǎn)品高，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域后，大大降低惡劣個(gè)性化定制產(chǎn)品的制造成本。常見領(lǐng)域在于高端制造如航天航空零件，醫(yī)療器件如人工骨骼及其他領(lǐng)域。

減少原料浪費(fèi)：3D打印絕大部分材料材料可以被再次使用，減少了原材料的浪費(fèi)。

2、傳統(tǒng)加工與快速成形的對(duì)比

圖2傳統(tǒng)加工與快速成形工藝的對(duì)比

3、快速成形工藝流程

快速成形工藝流程分為如下幾個(gè)步驟：

A、三維模型構(gòu)造。由于RP（快速成形）系統(tǒng)只接受計(jì)算機(jī)構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型(立體圖)，然后才能進(jìn)行切片處理，因此首先應(yīng)在PC機(jī)或工作站上用CAD軟件(如Pro/ENGINEER, I一DEAS，Solid Work等)，根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)三維模型；或?qū)⒁延挟a(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換成三維模型；或在仿制產(chǎn)品時(shí)，用掃描機(jī)對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行掃描，得到三維模型，即反求工程的三維重構(gòu)。

B、三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前必須對(duì)其進(jìn)行近似處理。最常用的方法是用一系列小三角形平面來(lái)逼近自由曲面。

C、三維模型的切片處理。由于RP工藝是按一層層截面輪廓來(lái)進(jìn)行加工，因此加工前必須從三維模型上沿成形高度方向每隔一定的間距進(jìn)行切片處理，以便提取截面的輪廓。間隔的大小按精度和生產(chǎn)率要求選定。間隔越小，精度越高，但成形時(shí)間越長(zhǎng)。間隔的范圍為0.05mm- 0.5 mm，常用0.1 mm，能得到相當(dāng)光滑的成形曲面。切片間隔選定后，成形時(shí)每層疊加的材料厚度應(yīng)與其相適應(yīng)。各種成形系統(tǒng)都帶有切片處理軟件，能自動(dòng)提取模型的截面輪廓。

D、截面加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計(jì)算機(jī)控制下，RP系統(tǒng)中的成形頭(如激光掃描頭或噴頭)在x一y平面內(nèi)自動(dòng)按截面輪廓進(jìn)行掃描，切割紙(或固化液態(tài)樹脂，燒結(jié)粉末材料，噴射粘結(jié)劑和熱熔材料)，得到一層層截面。

E、截面疊加。每層截面成形之后，下一層材料被送至已成形的層面上，然后進(jìn)行后一層截面的成形，并與前一層面相粘結(jié)，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。

F、后處理。后處理。從成形機(jī)中取出成形件，進(jìn)行打磨、涂掛，或者放進(jìn)高溫爐中燒結(jié)，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度(如3D-P工藝)。對(duì)于SLS工藝，成形件放人高溫爐中燒結(jié)是為了使粘結(jié)劑揮發(fā)掉，以便進(jìn)行滲金屬(如滲銅)處理。

RP工藝流程如圖3所示

圖3 快速成型過(guò)程

4、快速成型的主要工藝方法

A、立體印刷(SLA)

也稱液態(tài)光敏樹脂選擇性固化。是一種最早出現(xiàn)的RPT，它的原理如下圖4-1所示。

圖4-1 立體印刷原理圖

1-液面；2-激光二維掃描頭；3-升降臺(tái)；4-零件；5-零件支撐結(jié)構(gòu)；6-液態(tài)光敏樹脂。

這種方法適合成型小件塑料產(chǎn)品，產(chǎn)品表面質(zhì)量好，尺寸精確。但成型中有物相變化，需設(shè)支撐結(jié)構(gòu)，且原材料有污染，易使皮膚過(guò)敏。

B、分層實(shí)體制造(LOM)

也稱薄形材料選擇性切割。

它根據(jù)三維模型每一個(gè)截面的輪廓線，在計(jì)算機(jī)的控制下，用CO2激光束對(duì)薄形材料(如底面涂膠的紙)進(jìn)行切割，逐步得到各層截面，并粘結(jié)在一起，形成三維產(chǎn)品，如圖4-2所示。

圖4-2 分層實(shí)體制造

這種方法適合成形大、中型零件，翹曲變形小，成形時(shí)間較短，但尺寸精度不高，材料浪費(fèi)大，且清除廢料困難。

C、選擇性激光燒結(jié)（SLS）

使用CO2激光器燒結(jié)粉末材料(如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、覆膜陶瓷和金屬粉等)。成形時(shí)先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件的實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行后一層的鋪粉燒結(jié)。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

4-3粉末材料選擇性激光燒結(jié)的原理如圖

D、熔化沉積成形

熔化沉積成形也稱絲狀材料選擇性熔覆。三維噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓的信息，做x-y-z運(yùn)動(dòng)。絲材(如塑料絲)由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱、熔化，然后被選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層完成后，工作臺(tái)下降一層厚，再進(jìn)行后一層的涂覆，如此循環(huán)，形成三維產(chǎn)品。

E、三維打印(3D-P)：

也稱粉末材料選擇性粘結(jié)。

噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面層。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴粘結(jié)劑，再進(jìn)行后一層的粘結(jié)，如此循環(huán)形成三維產(chǎn)品。粘結(jié)得到的制件要置于加熱爐中，作進(jìn)一步的固化或燒結(jié)，以提高粘結(jié)強(qiáng)度。

更多打印工藝有：全彩打印、塑料噴射打印、固基光敏液相法等。

5、3D打印熱點(diǎn)工藝

A、SLM-激光選區(qū)熔化技術(shù)

原理：利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱冷卻后可實(shí)現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過(guò)此過(guò)程，層層累積成型出三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。

用激光燒結(jié)方式獲取的零件，內(nèi)部可能會(huì)有雜質(zhì)氣孔之類，成型件的力學(xué)性能可能連鑄件都比不上。而用激光熔化方式獲取的零件，成型件成分均勻，組織細(xì)小，材質(zhì)致密等。成型件零件性能高于鑄造件，接近鍛造件性能。

B、DMLS-金屬直接表面燒結(jié)/激光融覆

原理：通過(guò)在基材表面添加融覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的融覆層。

DMLS是一種新的金屬表面改性技術(shù)。可用于修復(fù)表面損壞工件。

C、EBM-電子束熔煉

電子束熔煉是利用電能產(chǎn)生的高速電子動(dòng)能作為熱源來(lái)熔煉金屬的冶金過(guò)程，又稱電子轟擊熔煉。該法熔煉溫度高、爐子功率高和加熱速度快，但也存在金屬收率低、比電耗大等缺點(diǎn)。

可用于高熔點(diǎn)和活性金屬和耐熱合金鋼。適用于制造鈦零件樣品及小批量產(chǎn)品。

D、LENS-激光近凈成形

LENS是在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種金屬零件3D打印技術(shù)。采用中、大功率激光熔化同步供給的金屬粉末，按照預(yù)設(shè)軌跡逐層沉積在基板上，最終形成近凈形的零件實(shí)體，成形件不需要或者只需少量加工即可使用。

LENS可實(shí)現(xiàn)金屬零件的無(wú)模制造，節(jié)約大量成本，適合于鈦合金等高強(qiáng)度金屬件加工。

參考來(lái)源：快速成型與快速制造技術(shù)/朱林泉等著作