材料成型原理(读书报告)

3D 打印技术及其发展趋势

3D 打印（3D Printing ）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流，引起了国内外新闻媒体和社会公众的广泛关注。2011年2月，英国《经济学人》杂志刊载的封面文章，对3D 打印技术的发展作了简要介绍和展望，文章认为：3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。更有新闻媒体乐观地认为：3D 打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。由此可见，了解3D 打印技术的相关知识及其未来发展对我们学习先进成型技术、掌握新材料和新成型技术的市场需求及发展具有重要意义。

一、3D 打印技术简介

3D 打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成三维实体的技术。与传统的“去除型”制造不同的是：传统的数控制造一般是在原材料的基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品（如图1(a)所示）；而3D 打印技术则是直接根据计算机图形数据，将三维实体分解为若干个二维平面，再通过逐层增加材料的方法生成所需形状的物体（如图1(b)所示），因此又称为“增材制造”（AM ，Additive Manufacturing ）技术。3D 打印技术在制造过程中不需要复杂的成型工艺，不需要原胚和模具，亦不需要众多的人力，从而简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了生产效率并降低了成本。

作为一种综合性应用技术，3D 打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技图1（a ）去除型制造

原材料

零件

二维分解 逐层添加

零件

图1（b ）增材制造 图1 去除型制造与增材制造的区别

术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。其核心装备是3D 打印机——它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

3D打印技术可使用的材料种类非常丰富，例如以沙子为材料可打印建筑；以玻璃为材料可打印玻璃制品；以金属为材料可打印机械零件等。同时3D打印技术还可以在很大程度上提高制作效率和精密程度。目前，3D打印技术主要应用于产品模型、模具制造、文化创意、航空航天、生物医疗、艺术创作以及个性化定制等领域，以替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。此外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

二、3D打印技术的过程及原理

众所周知，我们日常生活中所使用的普通打印机以墨水和纸张为打印材料可以打印出电脑设计的二维平面图像及文字。而3D打印机的工作原理则参照了普通打印机的技术原理，其分层加工的过程与喷墨打印十分相似，只是二者的不同之处主要在于其打印材料不同——3D打印机的打印材料是金属、陶瓷、塑料、砂等实实在在的原材料，打印机与计算机连接后，打印机在计算机的控制下利用快速成型技术将“打印材料”一层一层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。简而言之，所谓3D打印技术就是可以打印出真实的三维物体的一种技术。

2.1 3D打印技术的过程

3D打印技术的实现主要分为四步，即三维设计、切片处理、三维打印和产品后处理。

1、三维设计

作为一种新兴的高技术数字化加工方式，3D打印离不开数据的驱动。而三维数据的获得则是根据需要，利用计算机辅助设计软件如3DMAX、PRO/E等设计出产品的数字化三维模型。模型创建可根据创意理念或是具体的产品尺寸进行设计，在对已有实物仿制时，还可以借助近几年来迅速发展起来的反求技术采集已有实物的空间三维数据，再以此在计算机辅助设计软件上重建产品的三维模型。

2、切片处理

3D打印的工作原理是分层累加，故必须对模型进行离散化处理。用一族密集的平行平面切分三维模型，得到一层层交线，由于模型是实体，故每一条交线应该是封闭的环，称之为轮廓线。切平面间是密集的，相互之间的距离越接近，最终成品的精度越高，但与之对应的是数据的急剧增大，数据处理的时间会成倍增加。而在实际应用中，通常需要兼顾材料特性、零件精度和处理时间，目前，常用的3D打印机的精度多在0.005mm~0.1mm 之间的。

3、三维打印

打印过程中，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

4、产品后处理

介于目前3D 打印技术的发展水平，通过3D 打印机打印的零件大多不能直接使用，还必须经过一定的后续处理才能满足工况要求，如去除支撑材料、打印件的手续烧结处理等。

2.2 3D 打印技术的成型原理

3D 打印技术是利用普通打印机的原理，将打印机和计算机连接起来，把原料装入机身，通过计算机的控制，利用快速成型技术将原料一层一层累积起来，最后将计算机上的蓝图变成实物。目前实现3D 打印的快速成型技术多种多样，应用最多的主要有以下四类：

1、选择性激光烧结成型（SLS ）

选择性激光烧结法又称为选区激光烧结，它的原理（如图2所示）是：预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），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扫描，被激光扫描部分的粉末烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接为一体，；当一层截面烧结完后，再铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面，如此不断循环，层层堆积，最终获得所需三维实体。

2、激光光固化成型（SLA ）

光固化是指单体、低聚体或聚合体基质在光的诱导下发生固化的过程。激光光固化成型的工作原理（如图3所示）是：采用特定波长与强度的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描，使之由点到线，由线到面顺序凝固，从而构成模型的一个薄截面轮廓；在完成一个层面的绘图作业后，将升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加最后构成一个三维实体。

图2 选择性激光烧结成型的原理图