認識3D打印技術(shù)：如何走進(jìn)你的生活

知名蘋(píng)果產(chǎn)品分析師郭明錤透露，Apple Watch Series 10從今年下半年開(kāi)始采用由3D打印技術(shù)生產(chǎn)的部件。蘋(píng)果在去年的Apple Watch Series 9上曾試驗過(guò)3D打印部件，但并沒(méi)有大規模量產(chǎn)，而在經(jīng)過(guò)大量的測試之后，3D打印大規模生產(chǎn)的效率似乎已有大幅改善。

據悉，蘋(píng)果Apple Watch 3D打印機構件的供應商為鉑力特，與先前不同的是，去年鉑力特為設備供應商，今年則轉變成零部件供應商。

蘋(píng)果的供應商們已經(jīng)開(kāi)始實(shí)質(zhì)性地采用這項技術(shù)來(lái)替代傳統的CNC機加工方式進(jìn)行生產(chǎn)，可以看出，3D打印技術(shù)正在得到更廣泛的應用。蘋(píng)果決定采用3D打印部件，成本優(yōu)勢可能是其中的重要因素，而率先用于A(yíng)pple Watch，可能是這一產(chǎn)品在制造上沒(méi)有蘋(píng)果其他的硬件產(chǎn)品那么復雜。

過(guò)去近十年，3D打印僅在工業(yè)的某些特定領(lǐng)域中出現。關(guān)于3D打印的質(zhì)量、材料、用戶(hù)體驗以及有限的應用場(chǎng)景等問(wèn)題，一直存在爭議，但這并未阻止3D打印技術(shù)的發(fā)展。在牙科及航空航天領(lǐng)域，3D打印新技術(shù)穩扎穩打，為行業(yè)實(shí)實(shí)在在降低了成本，提高了效率。

什么是3D打印技術(shù)？

傳統的制造方法主要有兩種 —— 等材制造工藝，即鍛造和沖壓同屬塑性加工（或稱(chēng)壓力加工），合稱(chēng)鍛壓：鑄造是將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的空腔（稱(chēng)為鑄模，材料可以是砂、金屬甚至陶瓷）中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法；沖壓是靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件（沖壓件）的成形加工工藝。減材制造工藝，一般是指在數控機床上進(jìn)行零件加工的工藝方法：車(chē)銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車(chē)削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多種方式才可完成零件的加工。

3D打印技術(shù)的原理主要基于“添加制造”的增材制造技術(shù)，它通過(guò)逐層堆疊材料的方式，將數字模型轉化為物理模型實(shí)現物體的快速制造。在3D打印過(guò)程中，每一層都代表了打印機需要構建的一層物體的橫截面。打印機根據數字模型的每一層信息，控制噴嘴、激光束或其他機械部件，將材料精確地堆積在正確的位置上。層間粘合是通過(guò)材料的熔化、固化或粘合來(lái)完成的，以確保整個(gè)物體的結構穩固。這種逐層堆積的方法允許制造出非常復雜的形狀和結構，使得3D打印成為一種非常靈活和創(chuàng )新的制造技術(shù)。

· 數字化設計模型：打印的第一步是創(chuàng )建一個(gè)數字化的設計模型。這個(gè)模型可以由計算機輔助設計（CAD）軟件創(chuàng )建，也可以通過(guò)3D掃描儀掃描實(shí)物物體得到。CAD軟件允許用戶(hù)在計算機上創(chuàng )建、編輯和優(yōu)化三維模型，這些模型可以代表任何形狀和大小的物體。

· 切片：一旦有了數字模型，軟件會(huì )將其切割成薄薄的層次，即切片。這些層次通常非常薄，可以是數十到數百微米的厚度。每一層都代表了打印機需要構建的一層物體的橫截面。

· 逐層堆積：3D打印機按照這些切片逐層堆積材料來(lái)構建物體。根據不同的打印技術(shù)，這些材料可以是塑料絲、粉末、樹(shù)脂等。打印機根據數字模型的每一層信息，控制噴嘴、激光束或其他機械部件，將材料精確地堆積在正確的位置上。

· 層間粘合：每一層的材料在被堆積后需要與下一層進(jìn)行粘合，以確保整個(gè)物體的結構穩固。這可能通過(guò)材料的熔化、固化或粘· 合來(lái)完成，不同的打印技術(shù)有不同的層間粘合方式。

· 重復堆積：打印機重復這個(gè)逐層堆積的過(guò)程，直到所有層次都堆積完成，形成最終的三維物體。

3D打印技術(shù)稱(chēng)作“上上個(gè)世紀的思想，上個(gè)世紀的技術(shù)，這個(gè)世紀的市場(chǎng)”。1860年，法國人Fran?ois Willème首次設計出一種多角度成像的方法獲取物體的三維圖像，并稱(chēng)這種技術(shù)為照相雕塑（Photosculpture），將24臺照相機圍成360度的圓同時(shí)進(jìn)行拍攝，然后用與切割機相連接的比例繪圖儀繪制模型輪廓。

1892年，Joseph Blanther首次在公開(kāi)場(chǎng)合提出了“分層地形圖”，發(fā)明了用蠟板層疊的方法制作等高線(xiàn)地形圖的技術(shù)。1940年，Perera提出與Blanther不謀而合的設想，他提出可以沿等高線(xiàn)輪廓切割硬紙板然后層疊成型制作三維地形圖的方法。增材制造就是沿襲了這個(gè)原理。

1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法。1980年，日本名古屋市工業(yè)研究所的久田秀夫發(fā)明了利用光敏聚合物成型的三維模型增材制造方法，同年5月申請了與該技術(shù)有關(guān)的第一項專(zhuān)利。1986年美國發(fā)明家查爾斯·赫爾（Charles W.Hull）成立了3D Systems公司，研發(fā)了STL文件格式，將CAD模型進(jìn)行三角化處理，成為CAD/CAM系統接口文件格式的工業(yè)標準之一；1988年，公司在成立兩年后，推出了世界上第一臺基于立體光刻SL技術(shù)的3D工業(yè)級打印機SLA-250。

此前還沒(méi)有3D打印這個(gè)名稱(chēng)，那時(shí)比較為研究領(lǐng)域所接受的名稱(chēng)是“快速成型”。1993年麻省理工學(xué)院教授Emanual Saches作為主要研發(fā)者和其他人共同發(fā)明了3DP（Three-Dimensional Printing），即三維印刷技術(shù)，利用當時(shí)已經(jīng)普及的噴墨打印機，把墨盒里面的墨水替換成膠水，用噴射出來(lái)的膠水來(lái)粘接粉末床上的粉末，結果可以打印出一些立體的物品。他們興奮地將這種打印方法稱(chēng)作3D打?。?D Printing），將他們改裝的打印機稱(chēng)作3D打印機。此后，3D打印一詞慢慢流行，所有的快速成型技術(shù)都統稱(chēng)為3D打印技術(shù)。

3D打印技術(shù)分類(lèi)

各種各樣的3D打印技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，具有不同的功能。根據ASTM標準F2792 ， ASTM將3D打印技術(shù)分為七大類(lèi)：定向能沉積、材料擠壓、材料噴射、粘結噴射、粉末床熔融、片材層壓和還原光聚合。

· 定向能沉積（Directed Energy Deposition）

定向能沉積是一種更復雜的打印工藝，通常用于修復或向現有組件添加額外材料?？捎糜谔沾?、聚合物，但通常用于金屬和金屬基混合物，以電線(xiàn)或粉末形式的打印。

· 材料擠壓（Materials Extrusion）

材料擠壓顧名思義材料通過(guò)噴嘴擠出，通常情況下這種材料是一種塑料細絲，通過(guò)一個(gè)加熱的噴嘴進(jìn)行熔化和擠出。打印機沿著(zhù)通過(guò)軟件得到的工藝路徑將材料放置在構建平臺上，然后燈絲冷卻并凝固形成固體物體。

· 材料噴射（MaterialsJetting）

在材料噴射中，打印頭將固化的光敏材料滴入，一滴一滴地選擇性沉積建筑材料，在紫外線(xiàn)（UV）光下逐層構建零件。材料噴射過(guò)程的性質(zhì)允許在同一物體上打印不同的材料，可以制造多種顏色和紋理的零件。

· 粉末床熔融（Powder Bed Fusion）

粉末床熔融熱能源選擇性地熔化構建區域內的粉末顆粒（塑料、金屬或陶瓷），以逐層創(chuàng )建固體物體。粉末床融合3D打印機在打印床上散布一層薄薄的粉末材料，通常使用一種刀片、滾筒或擦拭器。來(lái)自激光的能量融合粉末層上的特定點(diǎn)，然后沉積另一個(gè)粉末層并融合到前一層。重復該過(guò)程，直到制造出整個(gè)物體，最終產(chǎn)品由未融合的粉末包裹和支撐。

· 粘結噴射（Binder Jetting）

粘合劑噴射是將液體粘合劑選擇性地粘合一層粉末的區域，該技術(shù)類(lèi)型兼有粉末床熔合和材料噴射的特點(diǎn)。與PBF類(lèi)似，粘合劑噴射使用粉末材料（金屬、塑料、陶瓷、木材、糖等），并且與材料噴射一樣，液體粘合劑聚合物從噴墨器沉積。無(wú)論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，粘合劑噴射過(guò)程都是相同的。

· 片材層壓（Sheet lamination）

片材層壓是將非常薄的材料片堆疊和層壓在一起以產(chǎn)生3D物體或堆疊，然后通過(guò)機械或激光切割以形成最終形狀。材料層可以使用多種方法融合在一起，包括加熱和聲音，具體取決于材料，材料范圍從紙張、聚合物到金屬。當零件被層壓然后激光切割或加工成所需的形狀時(shí)，會(huì )產(chǎn)生比其他3D打印技術(shù)更多的浪費。

· 還原光聚合（Vat Photopolymerization）

還原光聚合通常是指使用激光、光或紫外線(xiàn)固化光反應性聚合物。換句話(huà)說(shuō)，光線(xiàn)精確地指向液體塑料的特定點(diǎn)或區域以使其硬化。第一層固化后，構建平臺將向上或向下移動(dòng)（取決于打印機）少量（通常在0.01和0.05毫米之間），下一層固化，與前一層連接。逐層重復此過(guò)程，直到形成3D部件。3D打印過(guò)程完成后，清潔物體以去除剩余的液態(tài)樹(shù)脂并進(jìn)行后固化（在陽(yáng)光下或紫外線(xiàn)室中）以增強部件的機械性能。

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

相對于等材制造工藝與減材制造工藝，3D打印技術(shù)具有許多的優(yōu)勢。對于幾何結構復雜物品（比如內部有非常復雜的拓撲結構或空腔結構的物品），傳統的制造工藝是無(wú)法進(jìn)行加工的，需要將物品進(jìn)行分解分別加工再組裝。而3D打印將物體分解成一層一層的2D區域，因此加工任意復雜的物體都沒(méi)有問(wèn)題，加工精度只是取決于打印機所能輸出的最小材料顆粒。

在一些情況下，當需要制造新的部件或需要在原部件上改動(dòng)時(shí)，數字化的3D設計文件可以很容易修改，不需要對生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行大幅重新裝配；相比之下，當部件設計需要修改時(shí)，注?；驂鸿T等傳統制造方法需要花費大量成本對生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行重新裝配。

3D打印技術(shù)可以“去中心化”的方式制造產(chǎn)品，有利于減少產(chǎn)品到達客戶(hù)手中的時(shí)間，也有利于減少成本、能耗及運輸產(chǎn)生的環(huán)境影響。3D打印“按需制造”的能力有利于制造商減少庫存，生產(chǎn)準備成本低，再加上適于小批量生產(chǎn)，可有效減少在庫存上凍結的資金及相關(guān)的存儲和保險費用。

3D打印技術(shù)的缺點(diǎn)

3D打印作為一項年輕的成型工藝，還存在著(zhù)許多的不足。在3D打印中，3D模型輸出的是一個(gè)實(shí)物模型，更多需要考慮的是實(shí)物模型的物理屬性（力學(xué)屬性與功能屬性）。力學(xué)能力有限以及表面精度不足這兩大缺點(diǎn)，限制了3D打印技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用，如果3D打印想要應用在更多領(lǐng)域，需要改進(jìn)這些缺點(diǎn)，或者提高后道工藝的效率。

給定一個(gè)3D數字模型，需要離散成三角網(wǎng)格（STL文件），然后加填充結構、加支撐結構，然后切片計算和路徑規劃，最后才送到3D打印機，通過(guò)G代碼輸出一個(gè)實(shí)物模型。這個(gè)過(guò)程是3D打印機的切片引擎軟件的主要工作，中間涉及到大量的幾何計算。在很多情況下，輸入的3D模型存在著(zhù)一些問(wèn)題，并不能直接輸出給3D打印機，比如：3D模型本身的拓撲結構不規范，無(wú)法切片；由于出現懸空部分而打印失??；模型的尺寸太大，超過(guò)打印機所能打印的尺寸限制；沒(méi)有考慮穩定性導致打印出物體無(wú)法正常放置等。

現階段3D打印的實(shí)際使用仍屬于快速成型范疇，即為企業(yè)在生產(chǎn)正式的產(chǎn)品前提供產(chǎn)品原型的制造，業(yè)內也稱(chēng)作手板。因此，3D打印成型工藝現階段是作為與傳統制造工藝互補的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術(shù)還尚需時(shí)日。

3D打印技術(shù)的未來(lái)

材料的不同組合能得到不同物理特性的物體，組合優(yōu)化也是是幾何的空間分布優(yōu)化；不同的組合材料、功能材料、梯度材料的設計與優(yōu)化，使用多重材料混合打印是3D打印技術(shù)值得探索的方向?；旌洗蛴∈侵冈谝慌_設備上完成兩種不同機理的加工過(guò)程，如3D打印和切削加工混合，電加工和超聲波加工混合等。

這種新的融合技術(shù)，是否能夠替代原來(lái)獨立的3D打印與CNC減材制造，成為一種全新的加工方式？如果想要實(shí)現混合打印，需要在硬件以及軟件上同時(shí)發(fā)力。2020年10月， 美商務(wù)部將六項新興技術(shù)添加到《出口管理條例》的商務(wù)部管制清單中，其中就包括混合增材制造，涉及硬件制造設備與計算機數控軟件。美國把混合增材制造技術(shù)與半導體技術(shù)放在一起，足以證明這些技術(shù)的重要性。

3D打印技術(shù)的機構設計研究仍處在初級階段，3D打印機的機械結構與其它制造方式相比顯得較為簡(jiǎn)單，人們對于機器人的憧憬，對于3D打印機構設計這個(gè)研究方向而言既是一個(gè)機會(huì )也是一個(gè)挑戰。如何更簡(jiǎn)單、高效地設計動(dòng)態(tài)3D打印模型甚至3D打印機器人也可能成為未來(lái)這方面研究的重點(diǎn)。

此外值得注意的是，4D打印技術(shù)是指由3D打印技術(shù)制造的智能材料結構，在一定的環(huán)境激勵下，可以隨時(shí)間產(chǎn)生形狀結構的變化，智能材料在外界環(huán)境激勵下，如溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、濕度、光等，能夠自動(dòng)完成相應的反應（比如膨脹或收縮）。相比于3D打印技術(shù)增加了一個(gè)額外的維度：時(shí)間t，可表征一切智能打印材料中所隱含的可變參量的總代表。4D打印對于制造業(yè)所帶來(lái)的變革將是深遠的，具有非常廣闊的應用前景。