浅谈3D打印技术及其材料生产设备

       3D 打印技术起源于20世纪90年代，因其特殊的逐层沉积成形原理，能够快速、一体化成形具有复杂结构零部件的特点，被视为制造业领域的一项变革性技术。3D打印在学术上称为快速成形技术(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)。从制造工艺的技术上划分称为增材制造(Additive Manufacturing，简称AM)。

▲ 利用金属3D打印制备精确大/小型部件

3D打印原理

       3D打印是快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉未状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，其基本原理是离散-堆积原理。通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积将材料“叠加”起来形成三维实体。首先在CAD软件系统中获得三维模型或通过测量仪器测取零件实体的表面数据，将其转化成三维模型;其次将模型进行数据处理，沿某一方向(通常为Z向)将CAD模型离散化，进行平面切片分层。然后将离散得到的分层信息与成形工艺参数信息相结合，转换为控制成形机工作的数控代码，通过专用的 CAM 系统控制材料有规律地、精确地叠加起来而成一个三维实体制件。

▲ 离散-堆积原理示意图(图来源网络，侵联删)

金属3D打印粉末制备

        由于金属3D打印技术对于金属粉末材料的要求苛刻，要满足球形度好，粒径分布窄，氧含量低，纯净度高等条件，因而对粉末材料的生产装备也提出更高要求。金属3D打印粉末制备技术主要有以下三种：真空气雾化制粉装备、等离子雾化制粉装备和射频等离子球化装备。

     其中，湖南天际真空气雾化制粉装备采用高效【紧耦合超音速气体雾化器】核心技术，提高了粉末合格率，减少耗气量，降低生产成本，同时配置氧含量在线检测系统，降低氧增量，是3D打印球形粉末生产利器。

3D打印分类

      立体光固化(SLA)又称为立体光刻，其工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的,即液态材料在特定波长和强度的紫外光照射下迅速发生光聚合反应，材料从液态转变成固态。在液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面扫描，光点扫描到的地方，液体固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。升降台带动平台下降，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

▲ 立体光固化技术工作原理示意图(图来源网络，侵联删)

      分层实体制造技术(LOM)是通过对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行激光切割与粘合的方式来形成零件的，又称为叠层实体制造。其工艺是先将单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压粘结在一起，此时位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据，将一层纸切割成零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置粘合在一起，激光再次进行切割。该方法特点是成形速率高，成本低廉。

▲ 分层实体制造技术工作原理示意图(图来源网络，侵联删)

     选择性激光烧结(SLS)通过激光束有选择地将可熔化粘结的金属粉末或非金属粉末(如石蜡、塑料、树脂沙、尼龙等)一层层地扫描加热，使其达到烧结温度并烧结成形。当一层烧结完后，工作台降下一层的高度，铺下一层的粉末，再进行第二层的扫描，新烧结的一层牢固地粘结在前一层，如此重复，之后烧结出与CAD模型对应的三维实体。

     熔融沉积成型(FDM)其基本原理是根据截面轮廓信息，控制加热喷头作XY平面运动和高度Z方向的运动。丝材(如塑料丝、石腊丝等)由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加成为快速原型，成型过程的原理，用此法可以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。是发展微机械制造的一条有效途径。

▲ 熔融沉积成型工作原理示意图(图来源网络，侵联删)

机遇与挑战

     目前国内3D打印产业以航空航天、汽车、医疗器械等领域为重点，规模不断扩大，技术水平不断提高。相关政策的支持，包括大量的研发投资、创新补助和优惠政策，促进了该行业的发展，中国已成为全球大的市场。同时，中国的3D打印行业正在经历诸多挑战，例如材料、机械的限制以及成本等等。中国增材制造行业正处于创新与经济转型的交叉点，未来充满挑战与机遇。