3D打印，只是增材制造工藝的一種，它不是準確的技術名稱，但是最為形象通俗。指通過離散-堆積使材料逐點逐層累積疊加形成三維實體的技術。根據它的特點又稱增材制造，快速成形，任意成型等。本文將用3D打印及快速成型技術來表述說明。

1、3D打印優勢

圖1 3D打印的優勢

縮短產品開發的時間：用傳統方法制造出一個部件或原型往往需要數周，而使用3D打印技術，則可以將時間縮短至數天乃至數小時，使得單件試制、小批量出產的周期和成本降低，特別適合新產品的開發和單件小批量零件的出產。

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

降低個性化訂制成本：個性化定制產品往往成本較普通產品高，將3D打印技術應用于該領域后，大大降低惡劣個性化定制產品的制造成本。常見領域在于高端制造如航天航空零件，醫療器件如人工骨骼及其他領域。

減少原料浪費：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。

2、傳統加工與快速成形的對比

圖2傳統加工與快速成形工藝的對比

3、快速成形工藝流程

快速成形工藝流程分為如下幾個步驟：

A、三維模型構造。由于RP（快速成形）系統只接受計算機構造的產品三維模型(立體圖)，然后才能進行切片處理，因此首先應在PC機或工作站上用CAD軟件(如Pro/ENGINEER, I一DEAS，Solid Work等)，根據產品要求設計三維模型；或將已有產品的二維三視圖轉換成三維模型；或在仿制產品時，用掃描機對已有的產品實體進行掃描，得到三維模型，即反求工程的三維重構。

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

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進行加工，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率要求選定。間隔越小，精度越高，但成形時間越長。間隔的范圍為0.05mm- 0.5 mm，常用0.1 mm，能得到相當光滑的成形曲面。切片間隔選定后，成形時每層疊加的材料厚度應與其相適應。各種成形系統都帶有切片處理軟件，能自動提取模型的截面輪廓。

D、截面加工。根據切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，RP系統中的成形頭(如激光掃描頭或噴頭)在x一y平面內自動按截面輪廓進行掃描，切割紙(或固化液態樹脂，燒結粉末材料，噴射粘結劑和熱熔材料)，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，然后進行后一層截面的成形，并與前一層面相粘結，從而將一層層的截面逐步疊合在一起，最終形成三維產品。

F、后處理。后處理。從成形機中取出成形件，進行打磨、涂掛，或者放進高溫爐中燒結，進一步提高其強度(如3D-P工藝)。對于SLS工藝，成形件放人高溫爐中燒結是為了使粘結劑揮發掉，以便進行滲金屬(如滲銅)處理。

RP工藝流程如圖3所示

圖3 快速成型過程

4、快速成型的主要工藝方法

A、立體印刷(SLA)

也稱液態光敏樹脂選擇性固化。是一種最早出現的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；4-零件；5-零件支撐結構；6-液態光敏樹脂。

這種方法適合成型小件塑料產品，產品表面質量好，尺寸精確。但成型中有物相變化，需設支撐結構，且原材料有污染，易使皮膚過敏。

B、分層實體制造(LOM)

也稱薄形材料選擇性切割。

它根據三維模型每一個截面的輪廓線，在計算機的控制下，用CO2激光束對薄形材料(如底面涂膠的紙)進行切割，逐步得到各層截面，并粘結在一起，形成三維產品，如圖4-2所示。

圖4-2 分層實體制造

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

C、選擇性激光燒結（SLS）

使用CO2激光器燒結粉末材料(如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、覆膜陶瓷和金屬粉等)。成形時先在工作臺上鋪上一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件的實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再進行后一層的鋪粉燒結。如此循環，最終形成三維產品。

4-3粉末材料選擇性激光燒結的原理如圖

D、熔化沉積成形

熔化沉積成形也稱絲狀材料選擇性熔覆。三維噴頭在計算機控制下，根據截面輪廓的信息，做x-y-z運動。絲材(如塑料絲)由供絲機構送至噴頭，并在噴頭中加熱、熔化，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層完成后，工作臺下降一層厚，再進行后一層的涂覆，如此循環，形成三維產品。

E、三維打印(3D-P)：

也稱粉末材料選擇性粘結。

噴頭在計算機的控制下，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劑，使部分粉末粘結，形成截面層。一層完成后，工作臺下降一個層厚，鋪粉，噴粘結劑，再進行后一層的粘結，如此循環形成三維產品。粘結得到的制件要置于加熱爐中，作進一步的固化或燒結，以提高粘結強度。

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打印熱點工藝

A、SLM-激光選區熔化技術

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

用激光燒結方式獲取的零件，內部可能會有雜質氣孔之類，成型件的力學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，組織細小，材質致密等。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/激光融覆

原理：通過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合的融覆層。

DMLS是一種新的金屬表面改性技術。可用于修復表面損壞工件。

C、EBM-電子束熔煉

電子束熔煉是利用電能產生的高速電子動能作為熱源來熔煉金屬的冶金過程，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。

可用于高熔點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品。

D、LENS-激光近凈成形

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

LENS可實現金屬零件的無模制造，節約大量成本，適合于鈦合金等高強度金屬件加工。

參考來源：快速成型與快速制造技術/朱林泉等著作