3D列印技術分析

3D列印（3Dprinting）也稱為「增材製造（AdditiveManufacturing）」，它是新興的一種快速成型技術。與傳統的減材製造工藝不同，3D列印是以數據設計文件為基礎，將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體的技術。 3D列印的思想萌芽和實驗探索由來已久，但現代意義上的3D列印技術於20世紀80年代中期誕生於美國。CharlesHull（3DSystems公司的創始人）和ScottCrump（Stratasys公司的創始人）是3D列印技術的先驅人物。1986年，CharlesHull發明了第一台3D印表機，之後成立了第一家3D列印公司3DSystems。1988年，3DSystems公司推出了世界上第一台基於SLA技術的商用3D印表機SLA-250，它的面世標誌著3D列印商業化的起步。ScottCrump研發了另一3D列印主流技術FDM，於1989年申請了美國專利並創立了Stratasys公司，1992年推出第一台基於FDM技術的「3DModeler」印表機。經過二十餘年的發展，3D印表機在工業領域已經有一定的應用基礎。隨著計算能力、設計軟體、新材料及互聯網進步的不斷推動，3D列印技術近年來發展迅速，應用領域不斷拓寬，顯示出巨大的發展潛力。 3D列印與傳統製造業的最大區別在於產品成型的過程上。在傳統的製造業，整個製造流程一般需要經過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。3D列印則免去了複雜的過程，無需模具，一次成型。因此，3D列印可以克服一些傳統製造上無法達成的設計，製作出更複雜的結構。隨著技術的不斷進步，3D列印在鑄造精度上已經可以與傳統方式相媲美，但是在大規模生產上，3D列印目前仍無法獲得規模經濟，在成本上和效率上不具優勢。因此，3D列印主要被應用於個性化、小批量和高精度的產品製造上。 3D列印的主要構成要素包括3D印表機、原材料以及軟體設計文件。它依託多學科的知識背景，包括精密機械、材料科學和信息技術等。 3D印表機經過20多年的商業化發展已經形成多種成熟技術，包括SLS、DMLS、FDM、SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等。在精度上，3D列印已經能夠在0.01mm的單層厚度上實現600dpi的解析度。常見的3D列印技術包括：FDM（熔融沉積快速成型）、SLA（立體光刻）、SLS（選擇性激光燒結）和3DP（三維粉末粘接）、Ployjet噴射光聚合物、ProjetUV紫外線成型等。 圖1：3D列印技術的主要類別

1988年ScottCrump發明了FDM技術,並在此基礎上成立了Stratasys公司。FDM無需激光系統的支持，而是採用噴頭。它的工作原理是首先將用於列印的熱熔性材料在噴頭中加熱融化，然後通過微細的噴嘴擠壓出來，沉積在製作面板或前一層已固化的材料上。一層材料沉積完成後，工作台將按預定的增量下降一個厚度，層層疊加連接成一體，直到實體完全成型。 FDM技術製造簡單，成本低廉，性價比高，眾多桌面級3D印表機都採用該工藝。但由於出料結構簡單，因而難以精確控制材料成型的效果，成品效果不夠精細穩定。 圖2：FDM技術原理

SLA是最早應用的3D列印技術，在1986年由CharlesW.Hull發明，並獲得美國專利。SLA主要使用光敏樹脂為材料，如環氧樹脂、乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂，它在一定波長和強度的紫外光照射下可固化。運用這個原理，SLA通過紫外激光照射逐層凝固成型，最終得到完整的立體模型。 SLA技術的優勢在於成型速度快、精度高，適合製作結構複雜的模型。但是SLA所使用的光敏樹脂在未固化時有一定毒性，成品硬度低、不結實，一般主要用於原型設計驗證。此外，SLA的設備和材料成本都很高，因此目前主要應用在專業領域。 圖3：SLA技術原理

SLS由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard於1989年在論文中提出，並於1992年開發了商業印表機。它利用粉末材料在高功率激光束掃描下燒結的原理，首先在工作台上鋪一層薄層粉末，激光束在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點，從而進行燒結並實現粘合。然後不斷重複鋪粉、燒結的過程，最後進行打磨、烘乾等處理，直至整個模型成型。 SLS的成品精度好、強度高，支持多種材料。但SLS技術需要使用大功率激光器，技術難度較大，製造和維護成本非常高，因此主要應用於高端製造領域。 圖4：SLS技術原理

3DP由美國麻省理工大學的EmanualSachs教授發明，並於1989年申請了3DP的專利。其工作原理與SLS工藝類似，都是採用粉末材料，但是3DP不是通過燒結，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面與材料粉末粘接。通過不斷鋪粉、噴塗、粘接的過程，最終完成零件的製造。美國Z-Corp公司基於3DP技術開發了3D列印成型機，2012年1月，Z-Corp公司被美國3Dsystems公司收購。 3DP技術是一種流行的、成本低廉的列印方法。它的優勢在於成型速度快、無需支撐結構，能夠輸出彩色列印產品。但是3DP技術的成品強度並不高，表面也不如SLA光潔，精細度不高。 材料是3D列印非常關鍵的因素之一。材料研發的進展，指引著3D列印的應用與推廣。理論上來說，絕大部分材料都可以用於3D列印，例如塑料、金屬、玻璃、陶瓷、石膏、巧克力，甚至生物材料等。在實際運用情形中，3D列印目前還是以塑料為主，常見的高端設備也主要限制於金屬、陶瓷等。
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