□ 王紅 青島尤尼科技有限公司

3D打印材料及研究熱點(diǎn)

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［導(dǎo)讀］目前，隨著3D打印技術(shù)這種新興技術(shù)的快速興起，受到了社會的廣泛關(guān)注。本文從分析3D打印技術(shù)的概念入手，對3D打印材料進(jìn)行了分析研究。

3D打印技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造，以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細(xì)加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。

一、3D 打印過程簡介

三維設(shè)計三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。設(shè)計軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。折疊切片處理打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex系列還有三維 Systems? ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。 用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對較少的產(chǎn)品。一個桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。折疊完成打印三維打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術(shù)可以同時使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

二、3D打印技術(shù)所依托的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，主要包括以下方面：信息技術(shù)，即要有先進(jìn)的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機(jī)械，即3D打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的生產(chǎn)要求高精度，必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求；材料科學(xué)，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

三、關(guān)于3D打印技術(shù)的有關(guān)材料及特殊要求

3D打印技術(shù)有3DP 技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP激光成型技術(shù)和UV紫外線成型技術(shù)，技術(shù)不同所用材料則完全不同，與我們普通人和家庭所應(yīng)用的最為普遍的是FDM3D打印技術(shù)，這種技術(shù)可以進(jìn)入到家庭，操作簡單，所用材料普遍易得，這種技術(shù)打印出產(chǎn)品也接近我們的生活用品，所用的材料主要是環(huán)保高分子材料，如：PLA、PCL PHA PBS PA ABS PC PS POM PVC，一般我們老百姓日常在家庭中所使用材料應(yīng)考慮安全第一原則，所選材料要環(huán)保，如PLA、PCL PHA PBS 生物PA，而ABS PC PS POM PVC等不適于用于家庭應(yīng)用，因?yàn)檫@種技術(shù)是一般是在桌面上打印，熔融的高分子材料所產(chǎn)生的氣味或是分解產(chǎn)生有害物質(zhì)直接與我們的人和家庭成員接觸，容易造成安全問題，所以在家庭使用時一般建議用生物材料合成的高分子材料。工業(yè)零件等需要有一定強(qiáng)度功能的制件可以選擇相適應(yīng)的材料。

3D打印要實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合是一條捷徑，在技術(shù)積累、商業(yè)開發(fā)和資本動作方面還需要更多的知本和資本的投入。具體科研成果需要走出實(shí)驗(yàn)工廠迅速實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。原材料也是制約我國3D打印技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸，包括激光燒結(jié)在內(nèi)的部分行業(yè)，我們不僅需要從國外購買設(shè)備，還需要進(jìn)一步采購其原材料。國內(nèi)并非沒有可替代產(chǎn)品，但質(zhì)量還不夠穩(wěn)定。有些是材料本身的問題，有些則是應(yīng)用環(huán)境的問題。比如激光燒結(jié)粉末，這種原材料對包裝要求極嚴(yán)，不能有絲毫的氧化。

3D打印要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化推廣，上游原材料是一個躲不過也繞不開的核心問題，只有國內(nèi)重視原材料開發(fā)，從實(shí)際需求入手解決原材料供應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)3D打印的不受制于人。但因?yàn)椴煌?D打印方法所需要的原材料是不同的，所以可以預(yù)見，這個突破過程可能需要較長時間。 從國家政策角度來說，任何政策的制定首先要有總體設(shè)計，這個設(shè)計一定是從底層開始的。一定要先把問題分析透徹，找到具體切入點(diǎn)才能具體制定。3D打印同樣如此，國家要制定相關(guān)政策支持和推動這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要從各方面均衡考量，最基本的就是經(jīng)費(fèi)問題，沒有經(jīng)費(fèi)投入，很多技術(shù)問題都會成為前進(jìn)路上的障礙。從企業(yè)來看，更應(yīng)該注重3D打印市場的發(fā)展及具體應(yīng)用前景，做好市場調(diào)研，進(jìn)一步確定能否實(shí)現(xiàn)利潤和利潤最大化。但不得不承認(rèn)，3D打印產(chǎn)業(yè)尤其具有特殊性，具體投入很難短期見效，需要企業(yè)從一定高度來審視整個市場走勢。

四、我國3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國積極探索3D打印技術(shù)的研發(fā)，初步取得成效。自20世紀(jì)90年代初以來，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校，在3D打印設(shè)備制造技術(shù)、3D打印材料技術(shù)、3D設(shè)計與成型軟件開發(fā)、3D打印工業(yè)應(yīng)用研究等方面，開展了積極的探索，已用部分技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機(jī)械性能要求，有望率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造；生物細(xì)胞3D打印技術(shù)取得顯著進(jìn)展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。 在家用電器、汽車配件、通信技術(shù)、航天、軍工等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)被越來越多應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中。在醫(yī)療領(lǐng)域，國內(nèi)高水平的醫(yī)院使用3D打印技術(shù)，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內(nèi)植入物。在教育領(lǐng)域，我國有很多高校購買了3D打印設(shè)備，開展多個學(xué)科的教育和研究工作。目前，中國已成為美國、日本、德國之后的3D打印設(shè)備擁有國。

五、結(jié)語

隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟和3D打印材料的擴(kuò)充，我們相信3D打印將會帶給我們更多的驚喜和沖擊，3D產(chǎn)品將會在我們的生活中觸手可及。

［1］劉欣靈.3D打印機(jī)及其工作原理［J］.網(wǎng)絡(luò)與信息，2012，（2）.

［2］邵宇.3D打印技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品設(shè)計民主化［J］.工業(yè)設(shè)計，2013，（3）