任务二
3D打印技术的原理

学习目标

1.熟悉3D打印技术的原理，注意其与传统制造的区别。

2.了解3D打印技术的工艺流程。

3.了解3D打印技术典型的分类方式及各技术的基本特点。

4.熟悉3D打印技术常见的成型材料。

任务描述

通过老师讲解、实地考察实训室、查阅资料等熟悉3D打印技术的原理，熟悉其与传统加工制造技术的区别，了解3D打印技术的分类及技术特点，熟悉3D打印技术常见的成型材料，通过分组讨论，总结本任务学习内容。

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一、3D打印技术的原理

（一）3D打印技术的基本原理

传统的制造工艺是从毛坯上去除多余材料的切削加工方法（又称减材加工），或借助模具锻压、冲压、铸造或注射成型。而3D打印技术与传统加工制造方法不同，首先将三维模型按一定的方式进行离散，将其转变成可加工的离散面、离散线、离散点；然后采用多种物理或化学方式，如熔融、烧结、黏结等，将这些离散面、线、点逐层堆积；最后形成实体模型或产品。因此，3D打印技术也被称为增材制造（material increasing manufacturing，MIM）或分层制造技术（layered manufacturing technology，LMT）。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的实体原型或直接制造出零件成品，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效率、低成本的实现手段。

3D打印技术成型过程如图1-6所示，3D打印技术就是利用三维CAD数据，通过3D打印机，将一层层的材料堆积成实体原型。首先通过三维建模软件获得零件的CAD文件，并将该文件导出成3D打印设备所能识别的STL格式。打印设备根据零件模型对其进行分层处理并离散，从而得到各层截面的二维轮廓信息，系统根据轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在系统的控制下，逐点、逐线、逐面的对成型材料进行立体堆积，从而完成对三维坯件的制作，最后再对坯件进行必要的后处理，使零件在功能、尺寸、外观等方面满足设计需求。

3D打印技术突破了传统的制造工艺，把传统的减材加工变为增材立体加工（图1-7），忽略了制件的外形复杂程度，完全真实地复制出三维造型。由于3D打印技术是把复杂的三维制造转化为一系列二维轮廓的叠加，因此它无需借助任何模具和工具，可直接生成具有任意复杂曲面的零部件或产品，从而极大地提高了生产效率和制造柔性。

（二）3D打印技术的工艺过程

3D打印技术的工艺过程一般都包括产品三维模型的构建、3D打印前处理、实体叠加成型过程及成型制件后处理四个步骤。3D打印技术工艺流程如图1-8所示。

1.产品三维模型的构建

由于3D打印系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建产品三维模型，如图1-9所示。该三维模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E，UG，Solidworks，I-DEAS等）通过构造性立体几何表达法、边界表达法、参量表达法等方法直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、计算机断层扫描（computed tomography，CT），得到点云数据，然后利用逆向工程的方法来构造三维模型。

2.3D打印前处理

（1）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为3D打印领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形由3个顶点坐标和1个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCII码两种输出形式，二进制码输出形式的文件所占的空间比ASCII码输出形式的文件小得多，但ASCII码输出形式可以进行阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。

（2）三维模型的分层处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向。在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05~0.5mm，常用0.2mm，目前最小分层厚度可达0.016mm。层厚越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则成型精度降低，但效率提高。

3.实体叠加成型过程

根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地将材料堆积在一起，各层材料通过交联或黏结固化后，最终得到成型制件。实体叠加成型过程如图1-10所示。

4.成型制件后处理

从打印设备里取出成型制件，进行打磨、抛光、涂覆，或放于高温炉中进行后处理烧结，以进一步提高原型产品强度。

二、3D打印技术的特点

（一）快速性

通过STL格式文件，3D打印系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速反馈。以快速原型为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢制模具制作，至少需要几个月的时间。

（二）高度集成化

3D打印技术实现了设计与制造的一体化。在成型工艺中，计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为可以直接驱动3D打印设备的数控指令，3D打印设备根据数控指令完成成型制件或零件的加工。

（三）与工件复杂程度无关

3D打印技术由于以离散堆积原理为基础，采用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系列层片进行加工，并将加工层片叠加，大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题，理论上可以制造如图1-11所示的具有任意复杂形状的成型制件和零件。

（四）高度柔性

3D打印技术是真正的数字化制造技术，仅需改变三维CAD模型，适当地调整和设置加工参数，即可实现不同类型零件的加工制作，特别适合新产品开发或单件小批量生产。并且3D打印技术在成型过程中无需专用的夹具或工具，成型过程具有极高的柔性，这是3D打印技术非常重要的一个技术特征。

（五）自动化程度高

3D打印是一种完全自动的成型过程，只需要在成型之初由操作者输入一些基本的工艺参数，整个成型过程操作者无需或较少干预。出现故障，设备会自动停止，发出警示并保留当前数据。完成成型过程时，机器会自动停止并显示相关结果。

三、3D打印技术的分类

近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争逐渐激烈。尤其是计算机技术的迅速普及和CAD、计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）技术的广泛应用，使得3D打印技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出强劲的生命力和广阔的应用前景。3D打印技术发展至今，已经有三十多种不同的成型方法，而且许多新的加工与制造方法仍然在不断涌现。典型3D打印技术的基本信息见表1-1。

（一）按材料、成型特征分类

1.丝材、线材熔化黏结技术

丝材、线材熔化黏结技术是原材料为丝状材料或线状材料，通过升温使其熔化并按照一定的路径堆积叠加出需要形状的技术。

2.粉末烧结与黏结技术

粉末烧结与黏结技术是原材料为粉末状材料，通过激光烧结或用黏结剂将粉末颗粒黏结在一起形成形状的技术。

3.液态聚合、固化技术

液态聚合、固化技术是原材料为液态材料，通过光能或热能使特殊的液态聚合物固化从而形成一定形状的技术。

4.膜、板材层合技术

膜、板材层合技术是原材料为固态的膜或板材，利用塑料膜的光聚合作用将各层膜片黏结成型，或通过层层黏结，将薄片层板堆积成型的技术。

（二）按成型原理分类

目前，应用较为广泛的3D打印技术主要有FDM技术、SLS技术、SLA技术和3DP技术4种。尽管这些3D打印技术都基于同一原理，即先离散分层，再堆积叠加，但其设备结构、采用的原材料类型、成型的方法以及截面层与层之间的连接方式等是完全不同的。

1.FDM技术

FDM又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性材料丝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acylonitrile butadiene styrene，ABS）或聚乳酸（polylactide，PLA）为原料，材料丝在挤压头内受热熔化成液体后，由挤压头将熔融材料沿零件的截面轮廓挤出后冷却成型。

该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂制件仅需要几个小时即可成型，且无污染。但由于稳定性对其成型效果影响非常大，因此制件的精度一般不高。

目前世界上具有较为领先FDM技术的是美国的Stratasys公司和Dimension公司，特别是其的工业级FDM设备，占据了市场的大多数份额。

2.SLS技术

SLS又称选区激光烧结、粉末材料选择性激光烧结等，常采用金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：在工作台上铺一层粉末材料，在计算机的控制下，激光束产生的热源对粉末材料进行选择性烧结（零件的空心部分未烧结，仍为粉末材料），片层中被烧结的部分即固化为实心部分；完成一层后烧结下一层，新的烧结层与上一层牢牢黏结在一起；全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。

该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，成型制件强度远远优于其他3D打印技术，因此可用样件进行功能试验或装配模拟。

目前世界范围内进行SLS技术研究的主要是美国的 3D Systems公司（前身属于DTM公司，该公司于2001年被3D Systems公司收购）、德国的EOS公司以及中国的北京隆源自动成型系统有限公司（简称北京隆源公司）、湖南华曙高科技有限公司（简称华曙高科）。其中3D Systems公司的SLS设备在市场使用率上占据领先地位，而EOS公司在金属粉末烧结方面有着自己的特点。

3.SLA技术

SLA又称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺与SLS有相似之处，区别在于SLA是以液态光敏树脂为材料，以紫外激光为辐照能源，使材料在室温下快速发生光聚合反应，从而完成材料的层层堆叠。

该工艺的特点是：成型制件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件。SLA技术的典型产品如图1-12所示。优点是生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性，不符合绿色制造发展趋势等。

国外的工业级SLA设备以以色列的Objet公司为代表，设备技术都较为成熟，可以提供超过123种光敏材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。同时，美国、日本、德国也都有各自具有特色且比较成熟的SLA技术。国内则以西安交通大学研发的设备较为成熟，现已开发出一整套SLA成型机，成型速度、零件精度都已接近国际先进技术。

4.3DP技术

3DP又称为胶水固化喷印、三维粉末黏结，其成型原理类似于喷墨打印机的原理：首先在成型缸上均匀地铺上一层粉末，喷头按照指定路径将液态的粉末黏结剂喷涂在粉末层指定区域上；然后待黏结剂固化后，除去多余的粉末材料；最后获得需要的实体模型。常采用陶瓷粉末、金属粉末、石膏粉末、热塑料粉末为材料。

该工艺的优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都难以实现的。其不足之处则在于：首先粉末黏结的制件强度并不高，只能作为测试原型；其次由于粉末黏结的工作原理，制件表面不如SLA技术制件光洁，精度也不高。因此为了生产出拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高。

3D照相馆所使用的技术就是以3DP技术为主，其打印出来的产品具备CMYK全彩专业级品质，打印产品最接近于成品的3D打印技术。目前采用3DP技术的厂商，主要是3D Systems公司、EX-ONE公司等，以ProJet CJP X60、VX系列3D打印机为主，此类3D打印机能使用的材料比较多，包括石膏、塑料、陶瓷和金属等。

除了上述4种较为熟悉的3D打印技术外，还有许多3D打印技术也已经实用化，如多射流熔融（multi jet fusion，MJF）技术、聚合物喷射（PolyJet）技术、DLP技术、MJD技术等。

四、3D打印技术的成型材料

成型材料一直是3D打印技术发展的核心问题，它对成型制件的成型精度、物理及化学性能、成型速度都有直接作用，同时也影响到成型制件的二次使用，及用户对系统和设备的选择。

（一）3D打印技术对成型材料的性能要求

（1）能够快速精确地加工成型制件。

（2）保证成型制件具有一定的力学性能及稳定性。用于3D打印技术直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等的要求；对于概念性成型制件，要求打印速度快，对成型精度和物理化学特性要求不高。

（3）满足成型制件具有一定尺寸精度和尺寸稳定性的要求。如果打印的是测试用制件，则其成型精度有严格的要求。

（4）满足3D打印技术的特殊性能要求。如FDM技术要求选用可熔融的丝状材料；SLS技术、3DP技术要求粉末的颗粒要较小；SLA技术要求选用可光固化的液态树脂；LOM技术要求薄片层材料是易切割的。

（5）有利于快速制模的后续处理。

总之，3D打印技术对成型材料的总体性能要求是，能够快速、精确地进行成型制件的加工与制造，同时使成型制件具有一定的力学性能及稳定性等特性，以便后续的工艺处理。

（二）成型材料的分类

3D打印技术的成型材料一般是与工艺和设备配套使用的。因此，成型材料的分类与3D打印成型工艺、材料的物理化学状态等密切相关。

1.按材料成型工艺分类

按材料成型工艺，3D打印技术的成型材料可分为FDM、SLS、SLA、3DP、LOM等技术的材料。

2.按材料物理状态分类

按材料物理状态，3D打印技术的成型材料可分为丝状材料、粉末材料、液态材料、薄片材料等。

3.按材料成型步骤分类

按材料成型步骤，3D打印技术的成型材料可分为直接成型材料和间接成型材料。其中直接成型材料包括聚合物（反应型聚合物、非反应型聚合物）、金属、砂、陶瓷等材料；间接成型材料包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、硅橡胶材料等。

4.按材料化学性能分类

按材料化学性能，3D打印技术的成型材料可分为树脂类材料、橡胶材料、金属材料、陶瓷材料、复合材料以及食品材料等。

（1）树脂类材料。在3D打印技术中采用较多的树脂类材料是工程塑料和光敏树脂材料。

工程塑料指被用作工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类成型材料，常见的有ABS类材料、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）类材料、尼龙类材料等。

光敏树脂由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（250~300nm）照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。目前，研究用于3D打印的光敏材料的主要有美国3D Systems公司和以色列Objet公司。常见的光敏树脂有Somos NeXt材料、Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂。

（2）橡胶类材料。橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的领域。3D打印采用的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

（3）金属类材料。近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，打印金属类材料的3D打印技术发展尤其迅速。目前，应用于3D打印的金属类粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

（4）陶瓷类材料。3D打印技术用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种黏结剂粉末所组成的混合物。由于黏结剂粉末的熔点较低，激光烧结时只是将黏结剂粉末熔化而使陶瓷粉末黏结在一起。在激光烧结之后，需要将陶瓷制品放入温控炉中，在较高的温度下进行后处理。

（5）其他成型材料。除了上面介绍的几种3D打印材料外，目前用到的还有彩色石膏、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等材料。

课后习题

1.相对于传统制造技术，3D打印技术有哪些优点？

2.如何理解“分层制造，逐层叠加”？ FZRU3R0D0LDgBXu9mwXgsGEozFUFw1mcajZ0lnhDZkumTx6YPEqbGBrLjbgb/ig9