劉 智 ，趙永強(qiáng) ，2

（1．陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2．陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001）

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的“減材制造”技術(shù)，它是一種新型的增材制造方式，通過(guò)數(shù)字化模型離散目標(biāo)實(shí)體模型，在通過(guò)材料的層層堆疊方法，逐漸累積出一個(gè)目標(biāo)三維實(shí)體的技術(shù)。該技術(shù)在不使用傳動(dòng)復(fù)雜的刀具或模具的情況下，使用熔融材料堆疊成具有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，有效的簡(jiǎn)化制造工藝，降低生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)工藝，具有極大地設(shè)計(jì)自由度，適用于小批量生產(chǎn)，后處理方便，產(chǎn)品可預(yù)測(cè)性高，并且一體化成型，無(wú)需復(fù)雜的裝配工序，極大簡(jiǎn)化生產(chǎn)成本。

本文通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)工藝制造方法，展示了3D打印技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)，并指出不同材料對(duì)應(yīng)的特有的3D打印方式和原理，歸納總結(jié)了現(xiàn)階段不同的3D打印設(shè)備的特點(diǎn)和方法，并列舉了幾種實(shí)現(xiàn)多自由度打印設(shè)備，列舉了3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和趨勢(shì)。

1 3D打印的成形原理和方法

3D打印機(jī)作為一種將機(jī)械、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)基于一體的復(fù)雜一體化成型系統(tǒng)，是3D打印技術(shù)的核心設(shè)備[1，2]。3D打印機(jī)獲取到CAD實(shí)體模型、CAD實(shí)體的分層處理、通過(guò)打印機(jī)堆疊成型和實(shí)體后處理四個(gè)階段，其原理圖如圖1所示。

圖1 3D打印的成形原理示意圖

3D打印機(jī)在打印實(shí)體時(shí)，先通過(guò)計(jì)算機(jī)三維建?；蛉S掃描技術(shù)獲取實(shí)體模型，然后使用計(jì)算機(jī)分層軟件將實(shí)體模型分層產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件傳輸給3D打印機(jī)，打印機(jī)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)打印噴頭或激光發(fā)射器按照預(yù)定路徑進(jìn)行擠出材料或激光燒結(jié)，形成固化平面層，第一層打印后，打印頭會(huì)重新移動(dòng)到第二層開(kāi)始的位置，重復(fù)上述動(dòng)作，直至循環(huán)往復(fù)堆疊成目標(biāo)實(shí)體[3]。3D打印實(shí)現(xiàn)方式完全滿足現(xiàn)代人們對(duì)于虛擬化、數(shù)字化的實(shí)體模型轉(zhuǎn)化現(xiàn)實(shí)物品的追求，所以迅速在全球得到發(fā)展。

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)工藝的切割或模具成型，人們發(fā)現(xiàn)其在制造內(nèi)部凹陷、空心或結(jié)構(gòu)互鎖的結(jié)構(gòu)形狀時(shí)有著無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì)[4]。通過(guò)分析可得至少具有以下6大優(yōu)勢(shì)：

（1）高復(fù)雜度產(chǎn)品生產(chǎn)，低成本消耗。對(duì)于使用等量的材料打印出兩個(gè)復(fù)雜程度截然相反的實(shí)體所消耗的成本一樣[5]。就傳統(tǒng)工藝而言，單個(gè)復(fù)雜的實(shí)體加工意味著復(fù)雜的工序，同時(shí)對(duì)應(yīng)高額成本，而3D打印方法分別打印兩個(gè)相同體積的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和簡(jiǎn)單的實(shí)體來(lái)說(shuō)，人員應(yīng)用、材料損耗和時(shí)間消耗都幾乎沒(méi)有差別[5]，如圖2所示。

圖2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體成型

同時(shí)，傳統(tǒng)工藝制造的產(chǎn)品形狀都比較單一，而唯一局限3D打印形狀制造的就在于設(shè)計(jì)者的想象力[6]。

（2）簡(jiǎn)化裝配程序和交易過(guò)程。3D打印機(jī)最主要的特點(diǎn)就是裝備一體化成型，無(wú)需如傳統(tǒng)工藝一樣建立不同的生產(chǎn)線和運(yùn)輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的運(yùn)輸與組裝，極大降低了運(yùn)輸和組裝帶來(lái)的時(shí)間消耗和成本提升[5]。

傳統(tǒng)工藝制造的生產(chǎn)模式是通過(guò)流水線大批量生產(chǎn)來(lái)降低成本，從而獲取利潤(rùn)[7]。而3D打印技術(shù)可以根據(jù)人們個(gè)性化需求定制所需要的所需要的產(chǎn)品，這擴(kuò)大了產(chǎn)品多樣化和柔性制造的引用范圍，同時(shí)降低單個(gè)成本的制造成本，加速產(chǎn)品發(fā)布，從而快速響應(yīng)消費(fèi)市場(chǎng)[8，9-11]。同時(shí)，采用3D打印制造方法，可最大限度減少工廠庫(kù)存、縮短交付時(shí)間、避免大批量運(yùn)輸成本、降低產(chǎn)品生產(chǎn)導(dǎo)致的環(huán)境污染。

（3）降低制作門(mén)檻、設(shè)計(jì)自由度高。對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝來(lái)說(shuō)，熟練工人意味著漫長(zhǎng)的培養(yǎng)周期，而3D打印制造的出現(xiàn)降低了生產(chǎn)制作的門(mén)檻。通過(guò)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和分層，3D打印機(jī)的控制和制造，降低生產(chǎn)人員的技能要求，即可完成產(chǎn)品制造或復(fù)制，甚至可以在遠(yuǎn)程控制和極端環(huán)境下（如太空）完成生產(chǎn)制造[12]。

傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)方法限制了大多數(shù)設(shè)計(jì)思路，而3D打印機(jī)可以無(wú)限放寬設(shè)計(jì)人員的思想，從實(shí)現(xiàn)前所未見(jiàn)的形狀。

（4）攜帶方便，制造空間大。3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)還在于結(jié)構(gòu)輕便，便于移動(dòng)，并且實(shí)體制造的大小自由度高，甚至可以實(shí)現(xiàn)打印機(jī)等體積的實(shí)體打印。同時(shí)，3D打印機(jī)無(wú)需拘泥于工廠加工，調(diào)試完成后可以在家里、辦公室實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造[13]。

（5）多種材料組合打印。傳統(tǒng)制造工藝多是采用對(duì)單一金屬材料進(jìn)行減材加工與生產(chǎn)，這產(chǎn)生了極大的產(chǎn)能消耗和材料浪費(fèi)。相對(duì)而言，隨著3D打印機(jī)精度的提高，更加節(jié)約環(huán)保的“凈成形”制造概念逐漸興起；此外，在3D打印機(jī)上可以進(jìn)行不同原材料的有機(jī)組合，產(chǎn)生色彩豐富、功能和屬性獨(dú)特的材料[14]。

（6）高精度的實(shí)體復(fù)制。隨著3D打印技術(shù)的提高和3D打印機(jī)精度的提升，我們可以進(jìn)行精確的實(shí)體復(fù)制。通過(guò)使用高精度的掃描和打印技術(shù)，經(jīng)由實(shí)體化和數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行精確復(fù)制與優(yōu)化。

2 3D打印方法和設(shè)備

2.1 3D打印方法

3D打印根據(jù)不同實(shí)現(xiàn)方法分為熔融沉積式（FDM）、層疊法成式（LOM）、噴墨粘粉式（3DP）、電子束選區(qū)融化（EBM）、激光選區(qū)融化（SLM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、電子束熔絲沉積（EBF）和光固化成型（SLA）[15，16]。如表 1 所示。

以上即是幾種3D打印常見(jiàn)的工藝方法，可以根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境和背景選擇合適的材料和方法進(jìn)行打印，以達(dá)到最好的應(yīng)用效果。

2.2 3D打印設(shè)備特點(diǎn)

21世紀(jì)初期，由于3D打印技術(shù)的初步發(fā)展，打印精度低，傳播速度慢。直到2008年，RepRap發(fā)布了開(kāi)源3D打印機(jī)“Darwin”，開(kāi)啟新的3D打印時(shí)代；同年，多種材料的3D打印得以實(shí)現(xiàn)[22]。現(xiàn)有的3D打印機(jī)的坐標(biāo)系構(gòu)型主要包括4種形式，分別是Cartesian坐標(biāo)系、Delta坐標(biāo)系、極（Polar）坐標(biāo)和平面關(guān)節(jié)（SCARA）坐標(biāo)[23]，如表 2 所示。

隨著打印結(jié)構(gòu)精度的要求和對(duì)于打印過(guò)程的簡(jiǎn)化，3D打印設(shè)備已經(jīng)不拘泥于上述幾種固定結(jié)構(gòu)，許多學(xué)者亦致力于多角度、無(wú)支撐、多軸實(shí)現(xiàn)3D打印設(shè)備的思考和研究。

表1 常見(jiàn)3D打印方法及其特點(diǎn)[5，17-21]

表2 常見(jiàn)3D打印設(shè)備坐標(biāo)特點(diǎn)[24-28]

潘英等人[29]設(shè)計(jì)出一種新型并聯(lián)機(jī)器人，采用4個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)和鉸接動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)組成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在鉸接動(dòng)平臺(tái)上連接打印噴頭實(shí)現(xiàn)3D打印。如圖3所示，鉸接動(dòng)平臺(tái)由四個(gè)縱向驅(qū)動(dòng)模塊牽扯實(shí)現(xiàn)平行關(guān)于定平臺(tái)平面的位移變動(dòng)和縱向位移層厚疊加變化。該結(jié)構(gòu)通過(guò)五自由的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多向3D打印，并且相較于一般的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，打印空間更大；但其無(wú)法改變鉸接帶來(lái)的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性問(wèn)題和在空間變換時(shí)的失誤。

圖3 新型并聯(lián)機(jī)器人

Lee等人[30]采用細(xì)絲滾輪式3D擠出方法和五軸機(jī)床相結(jié)合，如圖4所示，打印平臺(tái)與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，使打印平臺(tái)隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，Z軸安裝打印主軸，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐的五自由度打印方法。該方法將精確的機(jī)加工方法和可實(shí)現(xiàn)快速成型復(fù)雜特征的3D打印制造方法實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，組成的混合系統(tǒng)可以在無(wú)支撐狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)FDM打印。

圖4 3D打印技術(shù)與五軸機(jī)床結(jié)合

李仲宇等人[31]采用五軸機(jī)床和3D打印擠出機(jī)接和為一體，設(shè)計(jì)出一種5+1軸的增減材混合加工設(shè)備，如圖5所示，采用導(dǎo)軌滑塊將打印噴嘴固定在主軸夾具上，先通過(guò)噴嘴實(shí)現(xiàn)3D打印成型，然后將噴嘴滑至導(dǎo)軌頂端鎖止，使其不影響切削過(guò)程，在進(jìn)行切削加工，處理工件表面。然而切削加工的介入，雖然有效的提高了工件表面質(zhì)量，同時(shí)也限制了工件形狀設(shè)計(jì)的自由度。

圖5 5+1軸增減材設(shè)備

Brooks B J等人[32]將3D打印技術(shù)與六自由度工業(yè)機(jī)械臂相結(jié)合，如圖6所示，將打印平臺(tái)至于工業(yè)機(jī)械臂的末端執(zhí)行器，通過(guò)改變機(jī)械臂傳輸軌跡改變末端執(zhí)行器的目標(biāo)位置和方向，實(shí)現(xiàn)曲面的打印。

以上幾種結(jié)構(gòu)形式，極大地?cái)U(kuò)展了3D打印方法在商業(yè)背景下的應(yīng)用，可以提供更加廣泛和精確的工件實(shí)現(xiàn)方法，提高打印實(shí)體的多樣性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和表面精度。

圖6 3D打印與機(jī)械臂結(jié)合

3 應(yīng)用領(lǐng)域與趨勢(shì)

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和完善，打印實(shí)體工件的復(fù)雜度也不斷提升。3D打印技術(shù)逐漸在航空航天、交通運(yùn)輸、工業(yè)裝備、電子產(chǎn)品、醫(yī)療、教育和建筑等方面的到廣泛應(yīng)用。Wohlers Associate搜集包括228家打印技術(shù)行業(yè)相關(guān)商家與企業(yè)的營(yíng)收信息，得到國(guó)際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告《Wohlers Reports 2019》中統(tǒng)計(jì)的3D打印在各行業(yè)中的應(yīng)用的占比如圖7所示。從圖中可以看出，交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子產(chǎn)品、航天航空、醫(yī)療和工業(yè)裝備占據(jù)具有了重要的比重，這也表示了3D打印技術(shù)無(wú)論在個(gè)人消費(fèi)方向還是高新技術(shù)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

資料顯示，整體增材市場(chǎng)繼續(xù)呈現(xiàn)上升勢(shì)頭，有諸多新參與者，投資數(shù)億美元。整體市場(chǎng)包括107項(xiàng)早期關(guān)于增材市場(chǎng)的投資，籌集的資金總價(jià)值近13億美元。值得注意的是2018年粉末合金比重增長(zhǎng)了41%，價(jià)格高于5000美元的工業(yè)3D打印機(jī)OEM銷(xiāo)售產(chǎn)量增加的同時(shí)，制造商數(shù)量從135家增長(zhǎng)到177家，同比增長(zhǎng)了31%。同時(shí)低于5000美元的桌面3D打印機(jī)制造商的數(shù)量有明顯下降。

圖7 3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 汽車(chē)行業(yè)

目前在汽車(chē)行業(yè)，3D打印技術(shù)多是應(yīng)用于汽車(chē)零件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和原型概念設(shè)計(jì)[33]。零件和原型樣件采用3D打印可快速直觀的感受設(shè)計(jì)者的思想理念，也能夠明顯的發(fā)現(xiàn)其中問(wèn)題所在，從而進(jìn)行優(yōu)化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)良性、快速的設(shè)計(jì)閉環(huán)。同時(shí)對(duì)于部分個(gè)性化零部件的設(shè)計(jì)和維修可以直接制造和安裝。由于現(xiàn)階段3D打印金屬件的成本較高且生產(chǎn)效率不高，僅用于部分高端車(chē)的性能改進(jìn)部件。如圖8所示為3D打印出的薄壁離合器殼體。

圖8 3D打印的薄壁離合器殼體

3.2 航空航天

在航空航天領(lǐng)域，3D打印主要用于復(fù)雜零件制造、拓?fù)鋬?yōu)化制造、結(jié)構(gòu)功能部件的一體化設(shè)計(jì)、異種材料制造、發(fā)動(dòng)機(jī)快速試制和模擬裝配等[34-36]。美國(guó)GE公司采用3D打印技術(shù)制造出燃油噴嘴部件，如圖9a所示，采用一體化制造，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臒崽幚磉_(dá)到傳統(tǒng)工藝鍛造的材料性能[37]。美國(guó)AeroMet公司得到美國(guó)軍方和軍機(jī)企業(yè)的支持，使用激光沉積技術(shù)對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)葉輪進(jìn)行修復(fù)和裝機(jī)應(yīng)用[38]。美國(guó)Sciaky公司聯(lián)合Lockheed和Martin等公司于2002年期間對(duì)于采用3D打印技術(shù)制造大型航空技術(shù)零件進(jìn)行深入研究，并且制造出滿足AMS4999標(biāo)準(zhǔn)要求[39-41]，如圖9c所示為Sciaky公司生產(chǎn)的鈦合金飛機(jī)零件。

3.3 生物醫(yī)療

3D打印在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用主要集中于器官修復(fù)和移植、構(gòu)建軟組織支撐、骨骼或口腔頜面植入、美容整形、醫(yī)學(xué)器材和醫(yī)療輔助器械等[42-45]。如圖10所示為3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療上的應(yīng)用。

在關(guān)節(jié)外科方面，通過(guò)按照患者特定的身體缺陷，打印出獨(dú)有的矯正器具；在手術(shù)內(nèi)科方面，可以通過(guò)打印患者病患模型，進(jìn)行術(shù)前的方案擬定，總結(jié)出最優(yōu)手術(shù)方法，提高手術(shù)的安全性和成功率，在頜面科、骨科和口腔牙科方面，可以打印出符合患者個(gè)人特征的手術(shù)導(dǎo)板、助聽(tīng)器、骨組織支撐、義齒或透明牙套，幫助患者整形復(fù)原；在康復(fù)科方面，打印出舒適方便的康復(fù)輔助器具等。

圖9 3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

圖10 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療上的應(yīng)用

除上述主要領(lǐng)域外，3D打印技術(shù)也逐漸在建筑、食品、服裝甚至藝術(shù)行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。伴隨著科學(xué)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)的設(shè)備、控制系統(tǒng)和精度方面有著很大的改進(jìn)和提升，成本也隨之降低，使其在人們生產(chǎn)和生活中占據(jù)越來(lái)越重的比重，同時(shí)對(duì)于人們的生產(chǎn)和生活方式也在潛移默化的發(fā)生改變。

隨著3D打印的多樣化發(fā)展和進(jìn)步，成本也隨之降低，加工周期也會(huì)逐漸縮短，精度要求也會(huì)逐漸提升，原材料和能源的利用率隨之提升，環(huán)境影響逐漸減小，與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合將日益緊密，人們可以自己參與設(shè)計(jì)，上傳和打印，打破固有的生產(chǎn)制造格局。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，打印方式的日益多樣化，打印設(shè)備的精度不斷提高，為3D打印技術(shù)在交通運(yùn)輸、航空航天、工業(yè)裝備和醫(yī)療設(shè)備方面有了極大地運(yùn)用和拓展，但是也僅僅適用于個(gè)別零件的替代、維修和模型的展示作用，還無(wú)法真正應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。隨著全球各個(gè)國(guó)家政府意識(shí)到3D打印技術(shù)的重要性，并出臺(tái)了相應(yīng)的扶植政策，3D打印技術(shù)勢(shì)必會(huì)高速發(fā)展，走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，豐富和提高生活水平與質(zhì)量。