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什么是3D打印?北京3D打印

一、背景:传统的制造加工工艺 

    我们生活中所使用的物品是如何制造出来的?制造物品的方法和工艺有很多,传统的制造方法可归纳为有以下两种:

    1. 等材制造工艺。比如铸造,是一种金属热加工工艺,是将液体金属(例:铜、铁、铝、锡、铅等)浇铸到与零件形状相适应的空腔(称为铸模,材料可以是砂、金属甚至陶瓷)中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。人类在几千年前就掌握了这种制造工艺,比如出土的春秋战国时期的青铜器皿就是通过铸造制造的。

     再比如锻造,是利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的制造工艺。人类在几千年前也掌握了这种制造工艺,就是民间俗称的“打铁”工艺。一般地,由于锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷,优化微观组织结构,锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。

    另一种是冲压,是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力,使之产生塑性变形或分离,从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工工艺。生活中很多物品,比如汽车的车身、容器的壳体,仪器仪表、家用电器、办公机械、生活器皿等,都是冲压件。冲压和锻造同属塑性加工(或称压力加工),合称锻压。

    由于这些加工工艺在加工物品的过程中,材料只是从一种形式变到另一种形式,材料并没有增加或减少,因此称为等材制造工艺。

    2. 减材制造工艺。一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法,车铣刨磨是四种基本的加工方式,包括车削加工、铣削加工、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种方式才可完成零件的加工。由于这种加工工艺将多余的材料从工件中削除,被削除的材料是浪费(称为废料)的,因此称为减材制造工艺。

 

二、3D打印并不神秘:它只是一种新型的制造和加工工艺 

    3D打印技术出现在上世纪80年代末至90年代初(也称为快速成型技术),至今也就30年不到的时间。其原理很简单:以3D数字模型文件为输入,运用粉末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。

    形象来讲,普通的打印机是将2D图像或图形数字文件通过墨水输出到纸张上;3D打印机则是将实实在在的原材料(比如金属、陶瓷、塑料、砂等)输出为一薄层(物理上具有一定的厚度),然后不断重复一层层叠加起来,最终变成空间实物。因此,3D打印在输出某一分层时,过程与喷墨打印是相似的。就像盖房子,是通过一块一块砖所累积而成,而3D打印的物品是通过原材料的一粒一粒所累积而成。

    由于3D打印是将材料一层一层堆积而成,因此也称为增材制造工艺。3D打印并不神秘,相对于具有千年的等材制造工艺和具有百年的减材制造工艺,它只是一种制造成型的新工艺,只有30年不到的历史。

 

三、比较:3D打印区别于其他制造工艺有哪些优势和劣势?

    相对于等材制造工艺与减材制造工艺,3D打印具有许多的优势,已有很多文章进行了详细的分析与阐述。笔者认为,相对于传统的制造工艺,3D打印具有如下三个最主要的优势:

    1. 设计空间无限。对于几何结构复杂物品(比如内部有非常复杂的拓扑结构或空腔结构的物品),传统的制造工艺是无法进行加工的,需要将物品进行分解分别加工再组装。而3D打印将物体分解成一层一层的2D区域,因此加工任意复杂的物体都没有问题,加工精度只是取决于打印机所能输出的最小材料颗粒。这是3D打印带给我们最大的优势,能让设计者设计任意复杂的几何形状,设计空间无限。正是这个优势,给了我们在几何设计与优化方面大量需要解决的问题,后面会详述。

    2. 零技能制造。传统的制造工艺设备庞大且昂贵,需要较高的技能才能进行操作。而3D打印机(比如FDM 3D打印机)小巧而廉价,有些已经进入家庭,使用简单方便;相对于昂贵的铸模,3D打印只需要一个数字化文件即可进行成型。因此,通过3D打印,能够轻松实现产品的个性化设计与定制,大大缩短了产品的研发时间。这个优势给了我们非机械专业的研究工作者,也能进行相关的几何、结构、材料等方面的研究,大大加深和拓展了制造中所存在的相关研究问题。

    3. 材料无限组合。多喷头的3D打印机能够对多种材料进行组合打印。通过材料的堆叠和组合,打印的物品具有与单一材料所不同的物理和力学的特性。因此,通过不同材料的组合,可以产生性能不同的“新的材料”。这个优势提供给了我们利用控制材料的分布来控制物品的物理、力学及结构的特性,从而能产生多样化的物品,增加产品的灵活性。

    总之,3D打印技术最被看重的三大优势是加速产品的研发过程、提供个性化和定制产品和增加生产的灵活性。从成型工艺上看3D打印突破了传统成型方法,无需先行制作模具和机械加工,通过快速自动成型硬件系统与CAD软件模型结合就能够制造出各种形状复杂的产品,这使得产品的设计生产周期大大缩短,生产成本大幅下降。

    当然,3D打印作为一项年轻的成型工艺,还存在着许多的不足,比如成型时间慢、精度低、材料种类少 、无法大批量生产等。现阶段3D打印的实际使用仍属于快速成型范畴,即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造,业内也称作手板。因此,3D打印成型工艺现阶段是作为与传统制造工艺互补的方式存在,要成为主流的生产制造技术还尚需时日。但是要相信,人类对技术的追求是无限的,随着3D打印设备和打印材料的研发的不断进步,3D打印技术会越来越被广泛得到使用。

    从另一个角度来看,3D打印技术让制造从工厂走向了家庭,催生了大量的个人设计者(即创客),激发了无限的创意设计的可能。这是笔者认为3D打印技术能带给我们大众最大的意义,后面会详细阐述。

 

四、定位:3D打印的相关领域

    3D打印是一种新型的快速成型技术,它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术,涉及的领域较多。

    笔者认为,3D打印作为一种制造工艺(Manufacturing),最主要涉及有3个方面:

    1. 材料(Material)。即用于3D打印中的材料,包括树脂、金属、陶瓷、塑料或天然材料等,这些材料通过堆积形成实在的功能产品。

    2. 设备(Machine)。3D打印设备将材料按照软件(设计数据和制作数据)的要求实现产品的成型。现有的3D打印设备有许多种类,稍后会介绍。

    3. 建模(Modeling)。这是3D打印工艺中的软件部分。包括切片、模型的构建与优化、成型过程控制等。这是3D打印工艺中的软件部分。

    笔者在2014年的Siggraph Asia国际会议上做的第一次有关3D打印的教程Course(链接)上,提出了3D打印的3M 概念,即material, machine, modeling,这就像三条桌腿一样,共同支撑着manufacturing的桌面及其发展(3M+1M),缺一不可。

    如果将3D打印比作做一道菜,材料就是菜的原料,设备就是锅,而建模则是菜谱和制作方法。建模作为3D打印的“大脑”,在成型过程中起到至关重要的作用,这正是我们从事计算机图形学和几何建模的研究工作者的研究工作。因此,计算机图形学是3D打印中的不可或缺的一个重要研究领域。在计算机图形学中,近年来出现大量的有关几何、结构设计与优化的研究论文,笔者也在这方面做了系列的研究工作,后面会详述。

 

五、3D打印常用材料简介

    “巧妇难为无米之炊”,材料是3D打印的物质基础,是当前制约3D打印发展的瓶颈之一。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡胶、光敏树脂、石膏、金属和陶瓷等,在生物应用领域还有人造骨粉、细胞生物原料等。这些材料都是针对3D打印设备和工艺来研发的,有不同的形态,比如粉末状、丝状、层片状、液体状等。比如,粉末状3D打印材料的颗粒呈现球形状,半径在100微米以下。

    以下简单介绍一些常用的3D打印材料(主要来自于Medtec),更详细的资料可从网上获取。

    工程塑料指被用做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3D打印材料,常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。ABS材料是FDM(熔融沉积造型)快速成型工艺常用的热塑性工程塑料,具有强度高、韧性好、耐冲击等优点。

    光敏树脂即UV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(2500~300nm)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,研究光敏材料3D打印技术的主要有美国3Dsystem公司和以色列object公司。常见的光敏树脂有somos NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。

    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应用领域。3D打印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。

    金属材料:在国防领域,欧美发达国家非常重视3D打印技术的发展,不惜投入巨资加以研究,而3D打印金属零部件一直是研究和应用的重点。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等。

    陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其成形尤其困难。

 

六、3D打印设备技术简介

    现有的3D打印设备有很多种,设备是与材料配合来设计的。这里只是简单罗列一下常见的一些3D打印设备(主要来自于Medtec),更更详细的资料可从网上获取。

    1. 分层实体成型工艺(LOM):这是历史最为悠久的3D打印成型技术。LOM技术成型多使用纸材、PVC薄膜等材料,价格低廉且成型精度高。激光切割器将沿着工件截面轮廓线对薄膜进行切割,可升降的工作台能支撑成型的工件,并在每层成型之后降低一个材料厚度以便送进将要进行粘合和切割的新一层材料,最后热粘压部件将会一层一层地把成型区域的薄膜粘合在一起。

    2. 立体光固化成型工艺(SLA):以光敏树脂作为材料,在系统控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型。液槽中会先盛满液态的光敏树脂,氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描,这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。

    3. 选择性激光烧结工艺(SLS):SLS工艺使用的是粉末状材料,激光器在计算机的操控下对粉末进行扫描照射而实现材料的烧结粘合,就这样材料层层堆积实现成型。先采用压辊将一层粉末平铺到已成型工件的上表面,数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点,从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。

    4. 三维印刷工艺(3DP):工作原理类似于喷墨打印机,与SLS工艺也有着类似的地方,采用的都是粉末状的材料,如陶瓷、金属、塑料,但与其不同的是3DP使用的粉末并不是通过激光烧结粘合在一起的,而是通过喷头喷射粘合剂将工件的截面“打印”出来并一层层堆积成型的。

    5. 熔融沉积成型工艺(FDM):将丝状的热熔性材料(通常为ABS或PLA材料)进行加热融化,通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来,熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量下降一个厚度,然后重复以上的步骤直到工件完全成型。这是最常见的3D打印机,现在价格只要几千元,也是进入家庭和个人工作室(创客)最多的3D打印设备。也称为桌面型3D打印机。


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