撰稿|關(guān)耳（季華實驗室）
還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個片段以非常形象的手法展現(xiàn)了一種對三維獸首進(jìn)行掃描并復(fù)制重現(xiàn)的未來技術(shù)概念——3D打印。而在現(xiàn)實世界，科技前進(jìn)的步伐是不可阻擋的。
我國在去年成功完成首次太空3D打印，對空間站在軌擴建和長期運行具有重要意義。近期，某太空公司也宣稱將利用這項技術(shù)來制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進(jìn)行全3D打印火箭的發(fā)射。3D打印技術(shù)正展現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿εc活力。
圖1：3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)又稱增材制造（Additivemanufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將可粘合材料逐層疊加以構(gòu)建現(xiàn)實三維物體的技術(shù)。作為“決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術(shù)”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標(biāo)志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術(shù)革命浪潮。
與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點，在生產(chǎn)上可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大提高制造效率，實現(xiàn)“設(shè)計引導(dǎo)制造”的創(chuàng)新理念。
圖2：通用3D打印流程
圖源：Zhangetal.ACMTrans.MultimediaComput.Commun.Appl.2015,12,2
發(fā)展歷程
縱觀3D打印技術(shù)的發(fā)展史，最早可追溯至1984年由美國科學(xué)家CharlesHull發(fā)明的立體光固化成型技術(shù)（Stereolithographyappearance，SLA）。隨后又逐步發(fā)展出選擇性激光燒結(jié)（Selectivelasersintering,SLS）、選擇性激光熔化（Selectivelasermelting,SLM）、微噴射粘結(jié)成型（Threedimensionalprintingandgluing,3DP）等技術(shù)。
進(jìn)入21世紀(jì)以來，3D打印技術(shù)有了全新的突破，全球正式進(jìn)入3D打印的高速發(fā)展階段，并在大類技術(shù)的細(xì)分下逐步涌現(xiàn)出了各式各樣的革新式小類工藝，以滿足特定行業(yè)需求，與傳統(tǒng)制造業(yè)形成有效互補。
3D打印***分類
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織轄下增材制造技術(shù)委員會發(fā)布的ISO/ASTM52900:2015標(biāo)準(zhǔn)，3D打印工藝方案主要分為七大類。
一、材料擠出型
Materialextrusion
通過噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料。如熔融沉積成型（Fuseddepositionmodelling,FDM），是一種最為直觀也最常見的打印方式。在打印時，設(shè)備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細(xì)噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個實體。打印材料主要為聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。
優(yōu)點：設(shè)備和耗材的價格低廉、材料范圍廣、打印產(chǎn)品強度高。
缺點：打印精度較低、打印樣件表面粗糙度大。
二、光聚合成型
Vatphotopolymerization
使用特定波長的光對液態(tài)聚合物進(jìn)行選擇性光固化。這類技術(shù)使用的材料是光敏樹脂，在光照下樹脂發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)打印過程。根據(jù)光源類型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithographyappearance,SLA）和數(shù)字光處理（Digitallightprocessing,DLP）等，其原理及打印過程均不同。其中，SLA使用激光逐點掃描液態(tài)樹脂面，點-線-面順序固化以完成一個層面的成型，再配合成型平臺的移動層層疊加構(gòu)成三維實體。DLP則采用整面曝光進(jìn)行一個層面的成型，光源多為LED紫外光源，每層曝光圖形由數(shù)字動態(tài)掩模芯片等空間光調(diào)制器生成。
優(yōu)點：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
缺點：材料范圍受限、材料性能較弱。
三、定向能量沉積型
Directedenergydeposition
利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electronbeamdirectmanufacturing,EBDM）等，多用于構(gòu)建或修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。其過程為，激光束等能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，噴嘴將絲狀或粉末狀材料（如鈦和鈷鉻合金）送入高溫區(qū)被加熱至熔點，熔化后逐層沉積。噴嘴或工作臺安裝在高度可移動的臂上，從而能夠高度靈活地移動。
優(yōu)點：無需支撐、加工靈活性高、可以實現(xiàn)構(gòu)件的高效率制備和修復(fù)。
缺點：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修復(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。
四、材料噴射型
Materialjetting
2D噴墨打印機的三維進(jìn)化版。材料噴射可分為連續(xù)材料噴射（Continuousmaterialjetting,CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticlesjetting,NPJ）和按需滴落（Dropon-demand,DOD）。其基本原理是使用帶電偏轉(zhuǎn)板和電磁場，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺上，并利用紫外光源進(jìn)行固化成型。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數(shù)百個微小液滴，而SLA則是在整桶樹脂中，通過激光選擇性地逐點固化。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。
優(yōu)點：可實現(xiàn)高度精準(zhǔn)的全彩快速打印，增加原型和最終部件美學(xué)質(zhì)量。
缺點：材料范圍有限、價格昂貴、需要后處理以去除多余的材料。
五、粘合劑噴射成型
BinderJetting
也稱微噴射粘結(jié)成型（Threedimensionalprintingandgluing,3DP），是通過粘合劑噴射來實現(xiàn)粉末成型。主要過程是將陶瓷或聚合物等粉末狀材料裝入容器中，使用噴墨打印頭將粘合劑噴射至粉末中，如同沙子與水混合會形成更堅固的結(jié)構(gòu)，一層粉末會在選擇區(qū)域內(nèi)發(fā)生粘合，重復(fù)這個過程，下一層粉末會與上一層粉層通過粘合劑的滲透結(jié)合為一體，從而層層堆疊成型。當(dāng)使用材料是金屬和陶瓷材料時，需要通過高溫?zé)Y(jié)去除粘合劑并實現(xiàn)粉末顆粒間的冶金結(jié)合，使成品具有一定的強度與密度。
優(yōu)點：成型效率高，可同批次打印不同顏色，無需支撐結(jié)構(gòu)。
缺點：粗糙度大、成型件致密度較低，對于金屬和陶瓷等需脫脂燒結(jié)等后處理工藝，對于聚合物可能需要添加蠟等以增加結(jié)構(gòu)強度。
六、粉末床熔融成型
Powderbedfusion
這是另一種基于粉末床的***，主要用于金屬部件的打印制造。與前面所述的打印***不同，粉末床熔融不涉及沉積粘合劑來實現(xiàn)打印，主要代表有選擇性激光燒結(jié)（Selectivelasersintering,SLS）、選擇性激光熔化（Selectivelasermelting,SLM）和電子束選區(qū)熔化（Electron-beamselectivemelting,EBSM）等。粉末床熔融的過程大體為，使用鋪粉輥將存放在料斗和貯料器內(nèi)的粉末材料均勻地涂覆在打印平臺表面上，在真空環(huán)境下，利用高功率激光或電子束等高能束來熔化和燒結(jié)粉末，使之結(jié)合在一起，隨后再涂覆一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)，直至形成整個實體。其中，電子束選區(qū)熔化會對粉末床進(jìn)行預(yù)熱，整個腔室溫度最高可達(dá)上千度，極大程度降低成形零件的殘余應(yīng)力；SLS需要添加額外的粘結(jié)劑，如低熔點金屬或者樹脂材料等。
優(yōu)點：精度高，可打印金屬（如鈦、鋁、銅、不銹鋼和高溫合金等）、陶瓷和尼龍等多種材料。
缺點：成本高，在打印大尺寸物體時容易發(fā)生翹曲，速度較慢。
七、片材層壓型
Sheetlamination
將材料進(jìn)行激光切割后以粘結(jié)劑或焊接的方式結(jié)合在一起形成實體。與上文列出的其他工藝***均不同，片材層壓打印技術(shù)可用材料除了金屬板，甚至還有紙等幾乎其他任何可以卷曲的材料。片材層壓主要包含分層實體制造（LOM）和超聲波增材制造（Ultrasonicadditivemanufacturing,UAM）等。LOM是利用膠水將多層紙粘合并用鋒利的刀切割，無需加熱或熔化。每張紙的切割方式略有不同。UAM是使用超聲波焊接機來粘合金屬片或金屬帶，每個金屬層都被軋制在生長的結(jié)構(gòu)上，最大的技術(shù)優(yōu)勢是低溫，適用于對溫度敏感的低熔點材料。
優(yōu)點：成型速度快，精度高，翹曲變形小。
缺點：層間粘接差，成型樣件結(jié)構(gòu)強度存在明顯的各向異性，材料的利用率較低，只能***簡單結(jié)構(gòu)部件。
應(yīng)用實例
在科研及產(chǎn)業(yè)界大量研發(fā)投入的驅(qū)動下，3D打印對制造業(yè)的升級能力以創(chuàng)新為宗旨，從應(yīng)用端的引入深度和廣度切入，為各下***業(yè)進(jìn)行價值賦能和創(chuàng)造革命，覆蓋領(lǐng)域包括航天軍工、汽車船舶、能源動力、生命醫(yī)療、文化創(chuàng)意和建筑等。
圖3：深藍(lán)火箭試驗飛行
在航空和能源領(lǐng)域，近期，美國ArrisComposites與空中客車公司合作在3D打印碳纖維復(fù)合材料市場發(fā)力批量制造，打造輕量型客艙支架；索爾維與OEM9TLabs合作將3D打印碳纖維增強塑料部件引入量產(chǎn)，用于生產(chǎn)航空、自動化和石油天然氣等行業(yè)所需的中小尺寸零部件。
回顧國內(nèi)，3D打印產(chǎn)業(yè)在《中國制造2025》的引導(dǎo)下迎來高速發(fā)展契機，正助力國內(nèi)商業(yè)火箭的快速發(fā)展。2021年2月，重慶壹零空間首次采用3D打印姿控動力系統(tǒng)產(chǎn)品飛行，2021年7月，由3D打印制造發(fā)動機的深藍(lán)航天液體火箭低空垂直回收飛行試驗成功。可見3D打印已催生火箭制造的新賽道，并逐漸成為火箭制造過程中的重要支撐技術(shù)。
在制造醫(yī)療假體方面的發(fā)展則不僅僅局限在骨科、假耳等，還包括眼部假體，2021年11月，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫研究所在3D打印假眼臨床應(yīng)用方面的突破表明3D打印制造醫(yī)療假體的商業(yè)化趨勢。
相信隨著需求的不斷挖掘、政策的持續(xù)引導(dǎo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步規(guī)范化，3D打印應(yīng)用的廣度和深度將進(jìn)一步加速拓展。
圖4：3D打印仿生眼球
3D打印技術(shù)從1980s誕生至今只有短短三十多年，卻正在引領(lǐng)世界性的制造業(yè)革命。作為“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”的代表，它幾乎完美地滿足了定制與大規(guī)模生產(chǎn)的要求，并在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出無限的創(chuàng)造性。3D打印產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入成長期，預(yù)計到2026年全球3D打印產(chǎn)值有望達(dá)到372億美元，全球競爭已拉開序幕。但如何實現(xiàn)精密化、智能化、通用化和便捷化是擺在3D打印技術(shù)面前的重要課題，期待在其不斷完善與精進(jìn)的路上能夠為未來智能制造帶來里程碑式的變化。
參考資料：
1.JakePort.Howdoes3Dprintingwork?,co***o***agazine,7December2021
2.《3D打印與工業(yè)制造》——機械工業(yè)出版社
3.2021年3D打印行業(yè)深度研究報告——西部證券
監(jiān)制|趙陽
編輯|趙唯
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
來源：先進(jìn)制造
編輯：Garrett
