認識3D打印技術：如何走進你的生活

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

據(jù)悉，蘋果Apple Watch 3D打印機構(gòu)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(zhuǎn)變成零部件供應商。

蘋果的供應商們已經(jīng)開始實質(zhì)性地采用這項技術來替代傳統(tǒng)的CNC機加工方式進行生產(chǎn)，可以看出，3D打印技術正在得到更廣泛的應用。蘋果決定采用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Apple Watch，可能是這一產(chǎn)品在制造上沒有蘋果其他的硬件產(chǎn)品那么復雜。

過去近十年，3D打印僅在工業(yè)的某些特定領域中出現(xiàn)。關于3D打印的質(zhì)量、材料、用戶體驗以及有限的應用場景等問題，一直存在爭議，但這并未阻止3D打印技術的發(fā)展。在牙科及航空航天領域，3D打印新技術穩(wěn)扎穩(wěn)打，為行業(yè)實實在在降低了成本，提高了效率。

什么是3D打印技術？

傳統(tǒng)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（或稱壓力加工），合稱鍛壓：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(shù)控機床上進行零件加工的工藝方法：車銑刨磨是四種基本的加工方式，包括車削加工、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打印技術的原理主要基于“添加制造”的增材制造技術，它通過逐層堆疊材料的方式，將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為物理模型實現(xiàn)物體的快速制造。在3D打印過程中，每一層都代表了打印機需要構(gòu)建的一層物體的橫截面。打印機根據(jù)數(shù)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。層間粘合是通過材料的熔化、固化或粘合來完成的，以確保整個物體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。這種逐層堆積的方法允許制造出非常復雜的形狀和結(jié)構(gòu)，使得3D打印成為一種非常靈活和創(chuàng)新的制造技術。

· 數(shù)字化設計模型：打印的第一步是創(chuàng)建一個數(shù)字化的設計模型。這個模型可以由計算機輔助設計（CAD）軟件創(chuàng)建，也可以通過3D掃描儀掃描實物物體得到。CAD軟件允許用戶在計算機上創(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(shù)字模型，軟件會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(shù)十到數(shù)百微米的厚度。每一層都代表了打印機需要構(gòu)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構(gòu)建物體。根據(jù)不同的打印技術，這些材料可以是塑料絲、粉末、樹脂等。打印機根據(jù)數(shù)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行粘合，以確保整個物體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。這可能通過材料的熔化、固化或粘· 合來完成，不同的打印技術有不同的層間粘合方式。

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

3D打印技術稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。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，并稱這種技術為照相雕塑（Photosculpture），將24臺照相機圍成360度的圓同時進行拍攝，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首次在公開場合提出了“分層地形圖”，發(fā)明了用蠟板層疊的方法制作等高線地形圖的技術。1940年，Perera提出與Blanther不謀而合的設想，他提出可以沿等高線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原理。

1979年，日本東京大學生產(chǎn)技術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月申請了與該技術有關的第一項專利。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模型進行三角化處理，成為CAD/CAM系統(tǒng)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技術的3D工業(yè)級打印機SLA-250。

此前還沒有3D打印這個名稱，那時比較為研究領域所接受的名稱是“快速成型”。1993年麻省理工學院教授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，利用當時已經(jīng)普及的噴墨打印機，把墨盒里面的墨水替換成膠水，用噴射出來的膠水來粘接粉末床上的粉末，結(jié)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作3D打印（3D Printing），將他們改裝的打印機稱作3D打印機。此后，3D打印一詞慢慢流行，所有的快速成型技術都統(tǒng)稱為3D打印技術。

3D打印技術分類

各種各樣的3D打印技術已經(jīng)被開發(fā)出來，具有不同的功能。根據(jù)ASTM標準F2792 ， ASTM將3D打印技術分為七大類：定向能沉積、材料擠壓、材料噴射、粘結(jié)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(xiàn)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噴嘴擠出，通常情況下這種材料是一種塑料細絲，通過一個加熱的噴嘴進行熔化和擠出。打印機沿著通過軟件得到的工藝路徑將材料放置在構(gòu)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（UV）光下逐層構(gòu)建零件。材料噴射過程的性質(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(gòu)建區(qū)域內(nèi)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。來自激光的能量融合粉末層上的特定點，然后沉積另一個粉末層并融合到前一層。重復該過程，直到制造出整個物體，最終產(chǎn)品由未融合的粉末包裹和支撐。

· 粘結(jié)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(qū)域，該技術類型兼有粉末床熔合和材料噴射的特點。與PBF類似，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。無論是金屬、塑料、沙子還是其他粉末材料，粘合劑噴射過程都是相同的。

· 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，會產(chǎn)生比其他3D打印技術更多的浪費。

· 還原光聚合（Vat Photopolymerization）

還原光聚合通常是指使用激光、光或紫外線固化光反應性聚合物。換句話說，光線精確地指向液體塑料的特定點或區(qū)域以使其硬化。第一層固化后，構(gòu)建平臺將向上或向下移動（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。逐層重復此過程，直到形成3D部件。3D打印過程完成后，清潔物體以去除剩余的液態(tài)樹脂并進行后固化（在陽光下或紫外線室中）以增強部件的機械性能。

3D打印技術的優(yōu)勢

相對于等材制造工藝與減材制造工藝，3D打印技術具有許多的優(yōu)勢。對于幾何結(jié)構(gòu)復雜物品（比如內(nèi)部有非常復雜的拓撲結(jié)構(gòu)或空腔結(jié)構(gòu)的物品），傳統(tǒng)的制造工藝是無法進行加工的，需要將物品進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(qū)域，因此加工任意復雜的物體都沒有問題，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時，數(shù)字化的3D設計文件可以很容易修改，不需要對生產(chǎn)線進行大幅重新裝配；相比之下，當部件設計需要修改時，注?；驂鸿T等傳統(tǒng)制造方法需要花費大量成本對生產(chǎn)線進行重新裝配。

3D打印技術可以“去中心化”的方式制造產(chǎn)品，有利于減少產(chǎn)品到達客戶手中的時間，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(jié)的資金及相關的存儲和保險費用。

3D打印技術的缺點

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

給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格（STL文件），然后加填充結(jié)構(gòu)、加支撐結(jié)構(gòu)，然后切片計算和路徑規(guī)劃，最后才送到3D打印機，通過G代碼輸出一個實物模型。這個過程是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模型存在著一些問題，并不能直接輸出給3D打印機，比如：3D模型本身的拓撲結(jié)構(gòu)不規(guī)范，無法切片；由于出現(xiàn)懸空部分而打印失??；模型的尺寸太大，超過打印機所能打印的尺寸限制；沒有考慮穩(wěn)定性導致打印出物體無法正常放置等。

現(xiàn)階段3D打印的實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(nèi)也稱作手板。因此，3D打印成型工藝現(xiàn)階段是作為與傳統(tǒng)制造工藝互補的方式存在，要成為主流的生產(chǎn)制造技術還尚需時日。

3D打印技術的未來

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打印技術值得探索的方向。混合打印是指在一臺設備上完成兩種不同機理的加工過程，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，是否能夠替代原來獨立的3D打印與CNC減材制造，成為一種全新的加工方式？如果想要實現(xiàn)混合打印，需要在硬件以及軟件上同時發(fā)力。2020年10月， 美商務部將六項新興技術添加到《出口管理條例》的商務部管制清單中，其中就包括混合增材制造，涉及硬件制造設備與計算機數(shù)控軟件。美國把混合增材制造技術與半導體技術放在一起，足以證明這些技術的重要性。

3D打印技術的機構(gòu)設計研究仍處在初級階段，3D打印機的機械結(jié)構(gòu)與其它制造方式相比顯得較為簡單，人們對于機器人的憧憬，對于3D打印機構(gòu)設計這個研究方向而言既是一個機會也是一個挑戰(zhàn)。如何更簡單、高效地設計動態(tài)3D打印模型甚至3D打印機器人也可能成為未來這方面研究的重點。

此外值得注意的是，4D打印技術是指由3D打印技術制造的智能材料結(jié)構(gòu)，在一定的環(huán)境激勵下，可以隨時間產(chǎn)生形狀結(jié)構(gòu)的變化，智能材料在外界環(huán)境激勵下，如溫度場、電磁場、濕度、光等，能夠自動完成相應的反應（比如膨脹或收縮）。相比于3D打印技術增加了一個額外的維度：時間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)所帶來的變革將是深遠的，具有非常廣闊的應用前景。