作者:关二(际华实验室)
还记得2012年上映的由成龙主演的电影《十二生肖》吗？其中一个片段生动地展示了一个扫描和复制三维动物头部的未来技术概念——3D打印。在现实世界中，科技的进步是不可阻挡的。
去年，我国首次成功完成了Tai 空的3D打印，对空站的在轨扩容和长期运行具有重要意义。近日，某Tai 空公司也宣布将使用该技术制造火箭的所有部件，并计划于2022年发射全3D打印火箭。3D打印技术正显示出非凡的发展潜力和活力。
图1: 3D打印技术
3D打印技术又称增材制造，是一种在数字模型文件的基础上，通过层压可粘合材料来构建逼真的三维物体的技术。作为“决定未来经济的12项颠覆性技术”之一和第三次工业革命的引擎，3D打印标志着传统制造业向智能制造的巨大产业转型，引发新一轮技术革命浪潮。
与传统制造技术相比，3D打印技术具有“拆模、减废、减库存”的特点。它可以优化结构，节约生产中的材料和能源，大大提高制造效率，实现“设计导向制造”的创新理念。
图2:一般3D打印流程
资料来源:张等译。多媒体计算机。Commun。2015年12月2日申请
发展历史
纵观3D打印技术的发展历史，最早可以追溯到1984年美国科学家查尔斯·赫尔(Charles Hull)发明的光固化快速成型外观(SLA)。随后，选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、三维打印和胶合(3DP)等技术逐渐发展起来。
21世纪以来，3D打印技术取得了全新的突破，全球正式进入3D打印的高速发展阶段。在大规模技术的细分下，各种创新的小规模工艺逐渐出现，以满足特定行业的需求，有效补充传统制造业。
3D打印方法的分类
根据国际标准化组织增材制造技术委员会发布的ISO/ASTM 52900: 2015标准，3D打印工艺方案主要分为七大类。
一、材料挤压类型
材料挤压
通过喷嘴或孔口等选择性地沉积材料。熔融沉积造型，FDM)是最直观和最常见的印刷方法。打印时，设备将丝状热熔材料加热熔化，通过带有细喷嘴的喷嘴将材料挤压并选择性沉积在平台上，冷却后形成一层横截面，从而一层一层打印，直至整体成型。打印材料主要是聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯弹性体TPU、丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。
优点:设备和耗材价格低，材料范围广，打印产品强度高。
缺点:印刷精度低，印刷样品表面粗糙度大。
第二，光聚合成型
还原光聚合
特定波长液态聚合物的选择性光固化。这种技术使用的材料是光敏树脂，在光的作用下由液态变为固态，从而实现印刷过程。根据光源类型、照射方式和成型方式的不同，可分为立体光刻外观(SLA)和数字光处理(DLP)，其原理和印刷工艺各不相同。其中SLA采用激光逐点扫描液态树脂表面，点线面依次固化完成一层的成型，再配合移动成型平台一层一层的形成三维实体。然后DLP采用全面曝光成型一层，光源多为LED紫外光源，每层的曝光图案由数字动态掩膜芯片空等光学调制器生成。
优点:加工精度高，印刷品表面光滑，整面曝光成型效率高。
缺点:材料范围有限，材料性能较弱。
第三，定向能量沉积型
定向能量沉积
使用集中热能熔化材料的瞬间熔化和沉积工艺。主要包括激光同步送粉(LENS，LBMD，LSF)和电子束直接制造(EBDM)等。，主要用于建造或修复现有结构。其过程是激光束等能量源在沉积区产生熔池并高速运动。丝状或粉末状材料(如钛和钴铬合金)由喷嘴送入高温区加热至熔点，熔化后逐层沉积。或者喷嘴台安装在高度可移动的臂上，以便它可以灵活地移动。
优点:无需支撑，加工灵活性高，部件制备和修复效率高。
缺点:加工表面精度有限，成型样品需要再加工(如铣床等。)，而且结构复杂的零件很难修复。
四、材料注入式
材料喷射
2D喷墨打印机的3D进化版本。材料喷涂可分为连续材料喷涂(CMJ)、纳米颗粒喷涂(NPJ)和按需滴涂(DOD)。其基本原理是利用带电的偏转板和电磁场将喷出的材料精确定位在印刷平台上，然后利用紫外光源固化成型。材料的喷涂与上面提到的光固化快速成型(SLA)非常相似，只不过前者一次可以喷涂数百个微小的液滴，而SLA是通过激光在整桶树脂中逐点选择性固化。喷射的光敏微滴材料包括聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。
优点:可实现高精度全彩快速印刷，增加原型和最终零件的美学质量。
缺点:材料范围有限，价格昂贵，需要后期处理去除多余材料。
5.粘合剂注射成型
粘合剂喷射
也称为三维印刷和胶合(3DP)，粉末成型是通过粘合剂喷涂实现的。主要过程是将陶瓷或聚合物等粉末材料放入容器中，使用喷墨打印头将粘合剂喷入粉末中。就像沙子和水混合形成更坚固的结构一样，在选定的区域会粘结一层粉末。重复这个过程，下一层粉末就会通过粘合剂的渗透与上一层粉末融为一体，从而层层叠加成型。当使用的材料为金属和陶瓷材料时，需要通过高温烧结去除粘结剂，实现粉末颗粒之间的冶金结合，使成品具有一定的强度和密度。
优点:成型效率高，可同批印刷不同颜色，无需支撑结构。
缺点:成型件粗糙度高，密度低。对于金属和陶瓷，需要脱脂和烧结等后处理工艺，对于聚合物，可以加入蜡来增加结构强度。
6.粉末床的熔融成型。
粉末床熔融
这是另一种基于粉末床的方法，主要用于打印和制造金属零件。与上述打印方式不同，粉末床熔化不涉及沉积粘合剂实现打印，主要包括选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)和电子束选择性熔化(EBSM)。床熔的过程一般是利用铺粉辊将储存在料斗和漏斗中的粉末材料均匀地涂覆在印刷平台的表面上，在真实空环境中利用高功率激光或电子束等高能束将粉末熔化烧结，使其结合在一起，然后涂覆一层粉末，烧结下一层，直至形成整体实体。其中，电子束的选择性熔化会预热粉末床，整个腔体的温度可达数千度，大大降低了成形零件的残余应力。SLS需要添加额外的粘合剂，如低熔点金属或树脂材料。
优点:精度高，印刷金属(如钛、铝、铜、不锈钢、高温合金等)。)，陶瓷，尼龙等材料。
缺点:成本高，打印大尺寸物体时容易翘曲，速度慢。
七。薄片层压类型
薄片层压
激光切割后，材料通过粘合剂或焊接结合在一起，形成固体。与上面列出的其他加工方法不同，薄片层压印刷技术的可用材料包括金属板，甚至几乎任何其他可以卷曲的材料，如纸张。层压主要包括分层实体制造(LOM)和超声波增材制造(UAM)。LOM是用胶水将多层纸粘合在一起，用锋利的刀切割，不加热也不融化。每张纸的剪裁方式都略有不同。UAM使用超声波焊接机来粘合金属板或金属条，每个金属层都在不断生长的结构上滚动。其最大的技术优势是低温，适用于对温度敏感的低熔点材料。
优点:成型速度快，精度高，翘曲变形小。
缺点:层间结合差，成型样品结构强度各向异性明显，材料利用率低，只能制作简单的结构件。
应用示例
在大量RD科研和产业投入的推动下，3D打印对制造业的升级能力以创新为宗旨，从应用的深度和广度切入，对下游产业进行价值赋能和创造革命，涵盖航天军工、汽车船舶、能源电力、生命医学、文化创意和建筑等领域。
图3:深蓝火箭试飞
在航空空和能源领域，近日，美国Arris复合材料公司与空中国客车公司合作，在3D打印碳纤维复合材料市场进行量产，打造轻量化客舱支架；与Solvi的OEM 9T实验室合作，将3D打印碳纤维增强塑料零件引入量产，可用于生产航空空、自动化、油气等行业所需的中小型零件。
回顾国内，3D打印行业在“中国制造2025”的指引下迎来了高速发展的契机，正在助力国内商业火箭的快速发展。2021年2月，重庆在10 空期间首次采用3D打印姿态控制动力系统产品。2021年7月，搭载3D打印发动机的深蓝太空液体火箭低空垂直回收试验成功。可见，3D打印催生了火箭制造的新轨迹，并逐渐成为火箭制造过程中的重要支撑技术。
制造医用假体的发展不仅限于骨科、人工耳等。，还有义眼。2021年11月，德国弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Flawn Hof Institute)取得的3D打印义眼临床应用的突破，显示了3D打印医疗假体的商业化趋势。
相信随着需求的不断挖掘，政策的不断引导，行业标准的逐步规范，3D打印应用的广度和深度将会进一步加快。
图4: 3D打印仿生眼球
3D打印技术从上世纪80年代才诞生30多年，但它正在引领着世界范围的制造业革命。作为“互联网加智能制造”的代表，它几乎完美地满足了定制化和量产化的要求，在很多领域展现出无限的创造力。3D打印行业正在进入成长期。预计到2026年全球3D打印产值有望达到372亿美元，全球竞争已经开始。然而，如何实现精准化、智能化、通用化和便捷化是摆在3D打印技术面前的重要课题。预计它将在不断改进和完善的道路上，为未来的智能制造带来里程碑式的变革。
参考材料:
1.杰克·波特。3D打印是如何工作的？，cosmosmagazine，2021年12月7日
2.3D打印与工业制造-机械工业出版社
3.2021年3D打印行业深度研究报告-西部证券
监制|赵阳
编辑|赵薇
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不，我代表中国科学院物理研究所
来源:先进制造
编辑:加勒特
