馬北越，張博文，于景坤，曲選輝

1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院 冶金高溫材料與技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110819；2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

3D打印技術(shù)及先進(jìn)應(yīng)用研究進(jìn)展*

馬北越1，張博文1，于景坤1，曲選輝2

1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院 冶金高溫材料與技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110819；2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

對(duì)3D打印的主要技術(shù)原理及特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，綜述了3D打印技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和陶瓷制造等先進(jìn)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并指出了我國發(fā)展3D打印技術(shù)存在的問題，展望了其美好前景.

3D打印技術(shù)；先進(jìn)應(yīng)用；研究進(jìn)展

3D打印(Three Dimentional Printing)技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末期，其基本原理是借助三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、電子束等方法將金屬粉、陶瓷粉、塑料和細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品[1].3D打印也稱為增材制造，是相對(duì)于傳統(tǒng)制造中的機(jī)械加工等“減材”制造而言.3D打印技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮螅艿绞澜绮毮?我國在2015年發(fā)布的國家“十三五”中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中，明確提出要重視和加速發(fā)展3D打印技術(shù)，且于2016年4月在北京正式成立了全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，這對(duì)于促進(jìn)3D打印技術(shù)在中國的發(fā)展和應(yīng)用將起到很重要的支撐和引領(lǐng)作用.此外，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印具有節(jié)時(shí)、節(jié)能、可個(gè)性化定制等優(yōu)點(diǎn)，這必將推動(dòng)其大力發(fā)展及其在航空航天和生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2-5].

1 3D打印的主要技術(shù)原理與特點(diǎn)

3D打印技術(shù)有很多種，如熔融沉積成型技術(shù)、光固化成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)和直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)等，下面對(duì)其主要工藝的原理及特點(diǎn)進(jìn)行介紹.

1.1 熔融沉積成型技術(shù)(FDM, Fused Deposition Modeling)

FDM技術(shù)[6]是用加熱頭將ABS樹脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、尼龍和蠟等熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)，然后在軟件控制下沿CAD確定的二維幾何軌跡運(yùn)動(dòng)，并通過噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來，材料瞬時(shí)凝固形成有輪廓形狀的薄層.薄層逐層累積，最終打印出設(shè)計(jì)好的三維物體.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對(duì)模型進(jìn)行切片處理→設(shè)置掃描路徑→對(duì)材料進(jìn)行加熱→噴頭按照設(shè)置好的路徑進(jìn)行涂敷→快速冷卻→噴頭上移→再次按設(shè)置好的路徑進(jìn)行涂敷→繼續(xù)重復(fù)以上涂敷工序，最后得到逐層堆積而成的完整工件.該技術(shù)主要用于中、小型部件的成型，其生產(chǎn)成本低、污染小，材料可回收，但成品精度較差、成型速度慢且使用的材料類型受限[6].

1.2 光固化成型技術(shù)(SLA, Stereo Lithography Apparatus)

SLA技術(shù)[7]是以光敏樹脂為材料，通過紫外光或者其他光源照射，擇性地讓需要成型的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)并變硬，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對(duì)模型進(jìn)行切片處理→設(shè)計(jì)掃描路徑→激光光束按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射液態(tài)光敏樹脂表面→形成樹脂固化層，生成零件的一個(gè)截面→升降臺(tái)下降一個(gè)層片的高度→固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂→再進(jìn)行第二次掃描→第二固化層牢固地粘接于前一固化層上→重復(fù)以上工序，得到層層疊加而成的三維模型原型.

SLA技術(shù)具有成型速度快、表面質(zhì)量好、打印精度高和打印模型尺寸大(可達(dá)1524 mm)等優(yōu)點(diǎn)[8]，但因樹脂固化過程中易產(chǎn)生收縮，易產(chǎn)生應(yīng)力或引起變形.故研發(fā)固化速度快、體積穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的光敏樹脂材料是SLA 技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì).同時(shí)，SLA也存在系統(tǒng)造價(jià)高，使用和維護(hù)成本高，以及系統(tǒng)操作復(fù)雜、入門困難等問題.

1.3 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS, Selective Laser Sintering)

SLS技術(shù)[9]是用高功率激光(如CO2激光)將很小的材料粒子熔合成團(tuán)塊，形成所需要的三維形狀；高功率激光根據(jù)三維數(shù)據(jù)(如制作的CAD文件或掃描數(shù)據(jù))所生成的切面數(shù)據(jù)，選擇性地融化粉末層表面的粉末材料，然后每掃描一個(gè)粉末層，工作平臺(tái)就下降一個(gè)層的厚度，一個(gè)新的材料層又被施加在上面，然后燒結(jié)形成粘接，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個(gè)模型成型.其工藝路線為：用CAD做好三維模型→對(duì)模型進(jìn)行切片處理→激光燒結(jié)→產(chǎn)生原型零件→再次激光燒結(jié)→產(chǎn)生零件原型.

SLS技術(shù)可選用很多種材料，如：石蠟、高分子、金屬粉或合金粉、陶瓷粉以及其復(fù)合粉末，其制品的相對(duì)密度約達(dá)100%，且產(chǎn)品性能可與傳統(tǒng)制造工藝的相媲美.

1.4 直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS, Direct Metal Laser Sintering)

DMLS技術(shù)[9]的基本原理是使用實(shí)體的三維模型正確地定位構(gòu)件部分的幾何圖形，并為其添加適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，再下載到DMLS機(jī)，構(gòu)建“三維復(fù)制品” .采用金屬粉末，再通過使用局部聚焦激光束使其“焊接”.各部分的構(gòu)建是通過一層一層添加形成，各層厚度約為20 μm.DMLS機(jī)生產(chǎn)的零件精度和致密度高，細(xì)節(jié)分辨率好，有良好的表面質(zhì)量和優(yōu)異的機(jī)械性能，尤其適合小批量生產(chǎn)[10].

1.5 電子束熔煉技術(shù)(EBM, Electron Beam Melting)

EBM技術(shù)[11]是通過高真空中的電子束來熔化金屬粉末層，從而制造產(chǎn)品.EBM機(jī)從三維CAD模型中讀取數(shù)據(jù)，并將粉末材料放到連續(xù)層上，利用一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的電子束使這些層熔化在一起而構(gòu)建部件.整個(gè)過程均在真空環(huán)境中進(jìn)行，所以避免了活性材料熔融時(shí)出現(xiàn)氧化.一般需要在700～1000 ℃的高溫下操作，打印的層厚為0.05～0.2 mm.采用該技術(shù)制造的產(chǎn)品非常致密.目前，EBM技術(shù)主要以鈦合金為原材料，故其非常適合制造航空航天部件和醫(yī)療植入件.

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)過去常用于模具制造或新產(chǎn)品在正式開模前的試制模型.現(xiàn)在已成功應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和陶瓷等先進(jìn)制造領(lǐng)域[12-15].

2.1 在航空航天制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造3個(gè)方面.近年來，美國波音公司已采用3D打印技術(shù)制造了300 余種飛機(jī)零部件.空客也使用該技術(shù)制造出A380飛機(jī)客艙行李架，在戰(zhàn)斗機(jī)中也采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了空調(diào)系統(tǒng).美國Morris公司不僅擁有20多臺(tái)最先進(jìn)的激光3D打印設(shè)備，并制造出大量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件.德國EOS公司也利用3D打印技術(shù)制造出航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件[12].

我國在航空航天制造中也成功應(yīng)用了3D打印技術(shù).西北工業(yè)大學(xué)科研人員采用3D激光立體打印技術(shù)制造了國產(chǎn)客機(jī)用長(zhǎng)度超過5 m 的鈦合金翼梁；還將激光立體成型技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合，建立激光組合技術(shù)，成功制造了我國首臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)某合金復(fù)合軸承后機(jī)匣[12].北京航空航天大學(xué)王華明等人[16]成功制造了單件重量超過110 kg的多個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)件及國內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工、大型復(fù)雜的整體關(guān)鍵構(gòu)件的激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成型技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國家.中航重機(jī)激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)在2000年前后，進(jìn)行了3D激光焊接快速成型技術(shù)的研發(fā)，其制造產(chǎn)品目前已成功應(yīng)用于我國多款新型飛機(jī)[17].此外，清華大學(xué)、西北有色金屬研究總院等科研單位在EBM技術(shù)應(yīng)用、設(shè)備研發(fā)和零件制造方面也取得了可喜成果，為推動(dòng)3D打印技術(shù)在我國的發(fā)展和應(yīng)用做出了突出貢獻(xiàn).

在航空制造中運(yùn)用3D打印技術(shù)很有意義：①增材制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的減材制造(即機(jī)械加工)，可節(jié)約大量的昂貴金屬材料；②利用3D打印的靈活性，可對(duì)組合零部件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以制造出過去無法成型的結(jié)構(gòu)部件；③有利于先進(jìn)新型航空航天器的快速開發(fā)，提高在此領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力；④采用3D打印快速成型與傳統(tǒng)制造相結(jié)合，有利于批量化制造高性能金屬零件.

2.2 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，不僅用來打印生物支架[18]，還用來打印人體器官[19].如果打印人體器官，首先應(yīng)獲得需要打印器官的三維數(shù)字信息，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序建模，再利用3D打印機(jī)根據(jù)建好的數(shù)字模型逐層地打印出實(shí)物模型.根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)思路，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究主要集中在3個(gè)方面[19]：①先用生物材料打出“支架”，再在上面進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)并誘導(dǎo)形成組織；②采用生物活性組織和電子元件相結(jié)合打印人體器官；③通過患者自身的胚胎干細(xì)胞直接打印人體器官.

在3D打印人體器官方面，美國、西歐和日本走在世界前列.美國華盛頓兒科醫(yī)學(xué)中心科研人員通過3D打印技術(shù)，用“塑料”打印出了全球第一顆人類心臟[20].面對(duì)可用于移植的捐獻(xiàn)器官嚴(yán)重不足的今天，這將給心臟器官衰竭患者帶來福音.我國科研和醫(yī)療機(jī)構(gòu)在3D打印技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也取得了可喜成績(jī)，如清華大學(xué)器官制造中心的王小紅等人，利用自主研發(fā)的國內(nèi)首臺(tái)生物材料低溫打印設(shè)備，將合成高分子與天然高分子及生長(zhǎng)因子等在低溫打印成型；于2004 年自主研發(fā)出國內(nèi)第一臺(tái)細(xì)胞3D 打印機(jī)，并確定了幾乎適合所有細(xì)胞組裝的通用基質(zhì)材料[21].

2.3 在陶瓷制造中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷和現(xiàn)代陶瓷中都顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力[22-28].2012年10月，土耳其伊斯坦布爾的Unfold 設(shè)計(jì)室科研人員利用其自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印出造型各異的日用陶瓷制品.有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后，質(zhì)量很好[22].荷蘭埃因霍溫藝術(shù)家Olivier van Herpt 采用自己研發(fā)的3D打印機(jī)打印出許多精致的陶瓷樣品[22]，成品高度可達(dá)80 cm，半徑可達(dá)21 cm，細(xì)節(jié)頗為精致.3D打印技術(shù)在國內(nèi)陶瓷制造領(lǐng)域的應(yīng)用，只是借助3D打印技術(shù)制作陶瓷模型，然后再翻模.龍泉青瓷藝人梅紅玲通過3D打印技術(shù)制作了青瓷牛的樹脂模具，然后將制模燒制成了第一件鎮(zhèn)紙大小的瓷牛，細(xì)節(jié)栩栩如生，成為青瓷文化中的特殊藝術(shù)品[22].

目前，3D打印在陶瓷制造方面的應(yīng)用還存在以下問題：用于制備傳統(tǒng)陶瓷的原料——粘土和顏料不一定都適合3D打??；缺少3D設(shè)計(jì)專門人才；如何消除燒結(jié)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，以制得質(zhì)量穩(wěn)定且精美的制品.

3D打印技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、效率高，成型過程中不需要模具或模型，成型體的幾何形狀及尺寸可通過計(jì)算機(jī)軟件處理系統(tǒng)改變，靈活性強(qiáng)，可制備形狀復(fù)雜的陶瓷制品，在現(xiàn)代陶瓷制造中備受青睞.

3D打印技術(shù)在快速成型陶瓷零部件尤其是復(fù)雜形狀陶瓷零部件方面體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì)，但因其是堆積成型，使得致密度偏低，強(qiáng)度欠佳，且大量粘結(jié)劑的使用，導(dǎo)致陶瓷的收縮加大，較難保證陶瓷的體積燒結(jié)穩(wěn)定性和質(zhì)量.所以陶瓷零部件制造業(yè)應(yīng)在改善3D打印工藝和燒結(jié)技術(shù)方面加強(qiáng)研究，以期制得綜合性能優(yōu)異的陶瓷部件.

3 展 望

目前，盡管我國的一些科研單位經(jīng)獨(dú)立研發(fā)或通過“產(chǎn)學(xué)研”與國內(nèi)企業(yè)合作，已在3D打印技術(shù)制造方面做了大量的工作，涉及3D打印設(shè)備研制、原材料開發(fā)、3D打印成型軟件開發(fā)以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究等，且已有部分技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平.但與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國在3D打印技術(shù)方面的研究在廣度、深度及實(shí)際應(yīng)用方面還有較大的差距.因此，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)合作，加快3D打印用高性能、低成本原料的研發(fā)，以降低3D打印整體成本；深入研究3D打印技術(shù)在航空制造和生物醫(yī)學(xué)等先進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用，以更快更好地惠及于國、惠及于民.

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Research progress on 3D printing technologies and advanced applications

MA Beiyue1，ZHANG Bowen1，YU Jingkun1，QU Xuanhui2

1.InstituteofHighTemperatureMaterialsandTechnologyforMetallurgy，SchoolofMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110819，China；2.StateKeyLaboratoryforAdvancedMetalsandMaterials，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China

Main technological principles and characteristics are introduced，research situation of 3D printing technologies in some advanced fields involved aerospace, biomedical sciences and ceramics is reviewed, possible problems on 3D printing technologies existed in China are pointed out， and finally good future is also prospected.

3D printing technologies；advanced applications；research progress

2016-07-25

新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2015-Z05)

馬北越(1978-)，男，遼寧沈陽人，博士，副教授.

1673-9981(2016)04-233-05

TS853.2

A