3D打印的关键技术
&3D打印的关键技术
&&&&&&&&&&&&樊月龙
&&&3D打印过程如下：3D打印机在设计文件指令的导引下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3D打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。
&&&一、3D打印所需设备和材料：
&&3D打印机：工业级3D打印机、桌面型3D打印机，以及其他3D打印制造设备（快速成型机、快速制造设备）。
&&&&三维扫描与软件：三维扫描仪、三维激光雕刻机、激光制版、激光设备、三维测量仪、三坐标测量机/仪、激光跟踪仪、三维相机、三维激光抄数机；&三维设计系统&、运动捕捉系统、三维摄影测量系统、数控系统；&检测与逆向工程软件、三维检测软件、普及应用3D设计软件、打印软件等。
3D打印材料：光敏树脂、塑料粉末材料（尼龙、尼龙玻钎、尼龙碳纤维、尼龙铝粉、Peek材料）等、金属粉末材料（模具钢、钛合金、铝合金以及钴铬钼合金、铁镍合金）、聚乳酸（PLA，使用可再生的植物资源所提出的淀粉原料制成）、骨粉、细胞介质和生物墨水等。
二、3D打印技术：是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径。目前市场上的快速成型技术大致有3DP&技术、FDM熔融层积成型技术、SLA激光光固化技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术、LOM分层实体制造技术和PCM无模铸型制造技术等。&
1、3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模&型上，模型样品所传递的信息较大。
&&&&2、FDM熔融层积成型技术：&熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。一层一层叠加，直至形成整个实体造型。与其他的3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力，其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产工具。
3、SLA激光光固化技术：SLA以光敏树脂为原料，这种液态材料在一定波长(x=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,&分子量急剧增大,&材料也就从液态转变成固态。液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要&应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。SLA有两大类，一种是Objet为代表的，从下到上打印的。另一种是FormLabs为代表的，从上往下打印的。
4、SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本&较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂、金属粉末和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。
&&&&5、DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术&速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
&&&&6、LOM分层实体制造技术：LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。
7、PCM无模铸型制造技术:无模铸型制造技术（PCM，Patternless&Casting&Manufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。&造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属或者用铸型做建筑模型。
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1树脂材料：PLA/DLP成型技术所用&&&&【】上期，笔者系统阐述基于不同3D打印技术下所使用的3D打印材料，并结合实际情况叙述FDM机型所需要的线材。FDM机型需要将3D打印材料制作成线状的材料，我们通常称为线材。时下，线材的种类有很多，如常见的PLA、ABS线材，另外还有各种性能的线材，如具有磁性的线材、可导电的线材等等。这些线材适用于不同应用领域，展现其材料的特色。从成型技术方面考量，3D打印材料还有很多。DLP/成型技术下的树脂材料、SLS、SHS成型技术下的金属材料。当然，在3D打印领域还有各种意想不到的材料，例如：泥土、食用材料。流淌着的血液&3D打印材料有哪些（二）●树脂材料：PLA/DLP成型技术所用&&&&光敏树脂材料一般用于SLA/DLP机型之中。使用光敏树脂材料打印出来的物品，表面较为光滑、成型质量高，所以许多DLP机型被定位为珠宝级别。笔者认为DLP成型技术较高以及光敏树脂打印出来的物体性能较好。光敏树脂材料也被称为UV材料，是由单体聚合物与预聚体组成。这种材料可在特定波长紫外光聚焦下完成固化。光敏树脂材料打印出来的物品&&&&光敏树脂材料一般是液化状态，使用该材料打印物体一般具备高强度、耐高温、防水等特点。然而，光敏树脂材料长期不使用容易导致硬化，并且该材料具备一定的毒性，在不使用的状态下需要对其进行封闭保存。光敏材料价格较贵，由于使用时需要将其倒进器皿内，所以容易导致浪费的现象。&&&&光敏树脂材料尚有许多不同的类别，细分的光敏树脂材料根据配方或者制作方式的不同呈现出不同的性能，同时适合应用于不同的领域。Formlabs公司针对其生产的Form&1以及Form&1+&推出过多款性能不一的光敏树脂材料。Castable树脂是Formlabs推出的一款专为熔模铸造设计的材料，该材料可用于制作珠宝首饰、金属制品等。据Formlabs表示，Castable树脂打印物体表面较为光滑。一款SLA机型，使用材料为光敏树脂&&&&与Castable树脂一起问世的是Formlabs的另一款光敏树脂材料——Flexible树脂，该树脂材料柔韧性较强，成型后颇具柔性和弹性。珠海西通曾经发布过一款光敏树脂材料——CSLA&72041光敏树脂，这款光敏树脂材料粘度低、性能较高。据珠海西通表示，这款材料适合制作耐用、坚硬、防水的功能零件。据笔者观察，这款材料透明度较高。西通光敏树脂材料制作的物品&&&&光敏树脂材料适合SLA/DLP机型使用，并且树脂材料的成分不同表现出来的性能有所不同。值得注意的是，光敏树脂材料不宜长时间暴露在外边，这样容易造成树脂材料变得坚硬。密封保存有助于保持材料的良好性能以及避免材料的浪费。2金属材料：多种打印技术所爱●金属材料：多种打印技术所爱&&&&金属材料一般用于工业级别的机型。就成型技术而言，选择性激光烧结技术（SLS）、直接金属激光烧结技术（DMLS）、电子束熔炼技术（EBM）技术都有相对应的金属材料。这些成型技术一般需要使用粒状物料进行成型，材料状态一般都为粉末。金属材料比较多，如铝、铁、钢、银、金、钛等等。粒状物成型的材料&&&&尼龙铝粉材料被用于选择性激光烧结技术（SLS）当中，主要成分为尼龙以及铝粉。尼龙铝粉材料是在尼龙材料中加入适当的铝粉材料，使之产生铝的某些特质，成型物品中呈现金属光泽。尼龙铝粉材料经常用于装饰品和首饰的打印应用中。&&&&不锈钢材料英文全称Stainless&Steel，常常被用于选择性激光烧结技术的打印过程中。不锈钢材料比较坚硬，还有多种颜色可选，如银色、古铜色以及白色。不锈钢材料用于制作模型、艺术品等的制作。在3D打印材料中还有银、金、钛合金等，这些材料可被用于金银首饰的制作过程中，由于3D打印技术可制作较为复杂的几何模型，所以这些材料被打印出来颇具艺术品的气息。不锈钢材料制作的指环&&&&值得注意的是，钛金属材料是较为常用的3D打印材料，尤其是处于成型技术顶层的，这些材料被用来制作工业零部件，制作出来的零部件不仅坚固而且可以达到定制的效果，受到工程制造领域广泛的青睐。近来，航空飞机、船舶、汽车等零部件制作过程中就比较喜欢采用钛金属材料作为3D打印材料，究其原因钛金属材料比较坚固而且稳定。&&&&金属材料不仅仅可在SLS、EBM、DMLS等机型中使用，有些金属材料可以制作成FDM机型所需的线材，例如将金属粉末加入在PLA材料中，使其具备一定的金属属性等。在PLA材料或者ABS材料中加入金属粉末是材料制造上制作线材时经常用到的方法。从根本来讲，这些具备金属性质的材料当属于PLA线材或者ABS材料，这就需要根据金属所占比例来定。线材+粉末的线材制作方式，体型我们金属也可制作线材适用于FDM机型。磁铁PLA线材制作的物件，在水中浸泡生锈&&&&金属制作线材已有先例。3D打印材料制造商ProtoPlant推出两款3D打印线材，分别为：磁铁PLA、不锈钢PLA。据称，他们的制作方法为在PLA材料中分别加入磁铁粉末以及不锈钢粉末，使其具有这些金属的某些特点。有关人员表示，这些PLA线材看起来颇像金属材质。金属材质的线材后期需要经过抛光的程序，磁铁PLA和不锈钢PLA抛光后具备金属光泽。3陶瓷和玻璃：3D打印特殊材料●陶瓷和玻璃：3D打印特殊材料&&&&陶瓷材料也是选择性激光烧结技术（SLS）所使用的3D打印材料，使用陶瓷材料可以制作各种颇富艺术气息的陶瓷制品，如瓷杯、瓷勺等等。值得我们注意的是，同食品3D打印技术一样，陶瓷3D打印技术也需要后期烧制过程。也就是，陶瓷3D打印技术并不能完成陶瓷的高温烧制过程，3D打印出来的陶瓷制品充其量算是半成品。咖啡粉和粘土结合制作的陶瓷材料&&&&玻璃粉末材料是选择性激光烧结技术使用的材料之一，不过笔者搜索相关资料，资料显示并没有一款真正的玻璃3D打印。常见的是在各种3D打印材料中加入玻璃粉末，使得该材料拥有玻璃的某些特性。玻璃材料根据所配置成分比例的不同而呈现出不同的属性，这是根据3D打印物体所需以及构成物质所决定的。&铂金类金属玻璃粉末（左）铂金类金属玻璃（右）&&&&之前，日本田中控股公司宣布成功使用SLS技术制作出铂金类金属玻璃，并宣称已经掌握该材料的制作配方。据笔者估计，该材料也是在铂金材料中适当加入玻璃粉末，具体各自含量多少，尚不知晓。虽然这并不是严格意义上的玻璃打印技术，但是这条信息意味着SLS成型技术可以制作金属玻璃的3D打印对象。&&&&在3D打印成型技术中，有一种基于粉末床、喷头、石膏的三维打印技术（PP），PP技术所使用的3D打印材料为石膏。利用石膏材料打印出来的物体虽然坚固，但是表现出容易碎的特性。石膏材料由于种种原因打印时需要做好浸润的前期准备工作，如低熔点蜡等。另外，打印成品的表面极有可能出现细微颗粒的效果，而且不平的表面可能呈现一定的纹理。使用巧克力打印机打印出来的巧克力&&&&另外，在3D打印材料行列里还有许多特殊的3D打印材料，如可食用材料、类似混凝土的坚硬材料、用于生物3D打印的特殊墨水等。可用于3D打印材料随着3D打印技术的发展以及材料的发现与开拓不断增多。编辑点评：在3D打印材料实际制作过程中，由于制作技术、制作方法、制作工艺不一样，所以3D打印材料并没有严格意义上的分类。3D打印业界巨头Stratasys和3D&Systems发布某种材料时，习惯将材料归于哪一种技术。例如之前，3DS在欧洲模展上推出了5款机型的3D打印材料：FTX&Cast、FTX&Gold、FTX&Silver、FTX&Gray以及FTX&Clear，这些材料表明了是用于SLA机型之上。&&&&
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4￥27995￥2196￥22497￥33008￥17599￥445010￥7993D打印机 打出人体细胞(组图)
21研究人员调试打印机（图一）；打印出的活细胞组织（图二）。
　　来自杭州电子科技大学等高校的科学家最近自主研发出一台生物材料3D打印机，该3D打印机使用生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料或活细胞，目前已成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。
　　这台生物材料3D打印机具有打印生物材料种类多、对细胞损伤率低、打印精度较高和操作方便等特点。杭州电子科技大学的细胞组织3D打印机研发团队负责人徐铭恩介绍说，和国际同类打印机相比，这台拥有自主知识产权的名为“Regenovo”的3D打印机不仅实现了无菌条件下的生物材料和细胞组织3D打印，而且新型的温控单元和打印喷头设计，能够支持从-5℃到260℃熔融的多种生物材料打印。另外，打印的细胞有着高达90%的存活率。目前打印出来的活细胞存活时间最长为4个月。
本文来源：昆明日报
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金属零件3D打印技术现状及研究进展
摘要：简述了国内外的金属零件3D打印技术的研究现状及最新进展，包括选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）、直接金属粉末激光烧结(Direct
Laser Sintering，DMLS)、选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技术和电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）技术，具体介绍了金属零件3D打印技术研究热点和难点以及具体应用,并对SLM技术现状、存在问题和发展趋势进行了分析。
关键词：金属零件3D打印；选区激光熔化；直接制造
The Status and Progress of Manufacturing of Metal Parts by 3D Printing Technology
Abstract: This paper presents the research status and new progress of the metal parts manufactured by 3DP Technologies，including Selective Laser Sintering（SLS），Direct
Laser Sintering（DMLS）， Selective Laser Melting(SLM)，Laser Engineered Net Shaping(LENS) and Electron Beam Selective Melting(EBSM). At last，the authors analyze the main research hotspots，problems and oriented applications of metalparts manufactured by 3DP Technologies in detail, The status-in-art,problems and developing prospect of these technology are also discussed. Key words:
metal parts 3DP technologies；selective laser melting；direct manufacturing
3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。3D打印技术，就是在计算机中将3D CAD模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照3D CAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展及推广应用的需求，利用快速成型直接制造金属功能零件成为了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：包括选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术、直接金属粉末激光烧结(Direct
Laser Sintering，DMLS)、选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技术和电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）技术，。国外对金属零件3D打印技术的理论与工艺研究相对较早，且在近几年已有多家公司推出商品化的设备。而国内的研究主要集中在基础的工艺，华南理工大学的研究重点是SLM技术，清华大学以EBM技术为主，南京航空航天大学和华中科技大学主要研究选区激光烧结技术，近期也涉及到SLM工艺。西北工业大学深入研究了LENS工艺。本文就直接制造金属功能零件的快速成型的主要方法进行了归纳总结。
2.金属零件快速制造技术分类
2.1选区激光烧结（SLS）
选择性激光烧结技术(SLS)最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出的, 选区激光烧结，顾名思义，所采用的冶金机制为液相烧结机制，成形过程中粉体材料发生部分熔化，粉体颗粒保留其固相核心，并通过后续的固相颗粒重排、
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