與時俱進的3D 打印及3D 打印冬奧會產品

供稿|余冬梅，郭碩，李小康，郭征，張建斌 / YU Dong-mei, GUO Shuo, LI Xiao-kang, GUO Zheng,ZHANG Jian-bin

內容導讀

市場需求決定了生產和加工導向,隨著社會的發(fā)展和生活需求質量的提高，3D 打印技術也不斷革新。3D 打印融合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術，涌現(xiàn)出的3D 打印產品(尤其北京冬奧會產品)更具溫度和情懷，體現(xiàn)了智能科技與人文藝術的完美融合。本文綜述了CAD、CAM、STL、光聚合3D 打印、熱敏3D 打印等3D 打印科技前沿技術，介紹了北京冬奧會中的3D 打印產品：奧運火炬、“雪花”飾物、雪車頭盔、速滑冰鞋以及滑雪機器人等。

3D 打印設計術語

3D 打印融合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術。對3D 打印領域的操作者來說，同步更新并科普3D 打印相關軟件、先進技術以及工具術語不可或缺，數(shù)控機床上目前已使用了一些新興技術和工具。其中3DP(Three dimension printing)指3D 打印，CNC (Computer numerical control)是指計算機數(shù)字控制機床，簡稱數(shù)控機床。CAD——計算機輔助設計(Computer Aided Design)，是計算機軟件工具的一種，用于創(chuàng)建二維或三維設計模型。以二維設計優(yōu)勢占主導的CAD 在進入3D 打印時代之前，已廣泛應用于建筑業(yè)和制造業(yè)(圖1)。

圖1 OnShape CAD 軟件的工作界面

CAM— 計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing)，借助計算機軟件數(shù)字化(G 代碼指令) 控制刀具運行的工作路徑來完成工件的加工制造。計算機通過識別和解讀2D 的文件格式能確定工件需要被加工的部位以及刀具的運行方向和工作速度等制造工藝參數(shù)。G 代碼是控制計算機輔助制造系統(tǒng)的運行指令。目前的設計軟件幾乎已代替人實現(xiàn)了G 代碼編寫生成。設定好的G 代碼指令能夠精準控制刀具工作的自由度(包括進刀速度、行進方向、加工深度、轉動角度和方向)以及其他的開關定時設置和傳感器實時監(jiān)測。G 代碼發(fā)送器軟件將生成的G 代碼指令通過USB 傳輸?shù)綑C器中控制相應運行。目前大部分商用軟件所使用的G 代碼發(fā)送器軟件都已集成封裝，僅有少量仍使用開源工具鏈?！熬W格”編輯器將設計好的三維模型轉換成STL 格式后獲得三角形布局。網格編輯器允許用戶通過平移、拉伸、收縮或拖拽等方式直接編輯網格上的點，從而調控三維模型的外觀設計。

Open SCAD 軟件可用于三維模型的生成，各部件的復雜組裝，以及參數(shù)化的設計。對比傳統(tǒng)的CAD 軟件，Open SCAD 軟件的優(yōu)勢是無需繪圖，通過程序定義設計，由編譯器將設計模型化。

3D 打印通過片狀層疊，逐層累加得以實現(xiàn)。切片器軟件(Slicer)負責將設計好的3D 打印模型分割成逐個單層(即單次打印完成的薄層，而單層厚度取決于打印精度)。切片器軟件分為閉源軟件和開源軟件兩種，它們輸出的G 代碼指令能夠精準控制打印路徑、速度和溫度。

STL 是3D 打印和數(shù)控機床“2.5D”銑削的常見格式。圖2 所示的STL 格式文件中構建的3D 對象通過一系列三角形來勾勒模型的表面輪廓。STL 格式的模型尺寸沒有單位(1 個單位量既可以表示1 mm，也可以表示1 cm)，3D 打印用戶對該格式的文件生成方式要引起重視。

圖2 STL 文件界面

3D 打印技術的革新

根據(jù)打印材料的物理屬性(光或熱)，衍生出的新型3D 打印技術有光聚合3D 打印[2]和熱敏3D 打印，為增材制造領域增添了創(chuàng)造活力與潛力。

光聚合3D 打印

根據(jù)固化方式，光聚合(光固化)3D 打印分為：使用激光器的立體光刻技術(SLA)、使用數(shù)字投影的數(shù)字光處理技術(DLP)、利用阻氧技術的連續(xù)數(shù)字光處理技術(CDLP) 或連續(xù)液體界面制造技術(CLIP)。

立體光刻技術(SLA)：以SLA 技術為原理的打印機(圖3)通常采用將打印平臺浸沒在含有光固化樹脂的容器槽中的形式。激光束根據(jù)STL 切片信息在工作區(qū)域中進行掃描。當激光器掃描一層結束后，打印平臺根據(jù)裝置的使用方向(自下而上或自上而下)沿Z向下降或升高一個層厚，激光器按照新一層的切片信息進行掃描固化。如此往復，層層堆積，直到3D 模型打印完成。特別注意，SLA 的打印精度主要與激光束的直徑，即光斑大小有關。

圖3 SLA 打印機的組成部件示意圖

數(shù)字光處理技術(DLP)：DLP 技術與SLA 技術的不同之處為固化方式(圖4)。SLA 采用激光光源進行固化而DLP 采用數(shù)字投影儀進行固化。與SLA 相比，DLP 打印更快，因為SLA 采用點曝光而DLP 采用面曝光。DLP 打印精度主要取決于數(shù)字投影機的分辨率。

圖4 DLP 打印機的組成部件示意圖

連續(xù)數(shù)字光處理技術(CDLP)/連續(xù)液體界面制造技術(CLIP)：CDLP/CLIP 技術是基于DLP 的創(chuàng)新技術( 圖5) 。 與SLA 和DLP 技 術 不 同 的 是，CDLP/CLIP 采用帶有透氧窗口而不是普通玻璃窗口。該透氧窗口能夠形成一定厚度的“死區(qū)”，樹脂容器底的液態(tài)樹脂由于阻氧而保持穩(wěn)定的液面，從而保證固化的連續(xù)性。這也提高了打印部件的分辨率，并降低了由于剝離力導致打印失敗的可能性。

圖5 CDLP/CLIP 機器及其組件示意圖

熱敏3D 打印

熱敏3D 打印是將安裝有半導體加熱元件的打印頭在加熱的同時接觸熱敏打印紙，打印出預先設定的圖案，類似于熱敏式傳真機。加熱使圖像在膜中形成的化學反應受溫度調控，高溫會加速化學反應發(fā)生，而低溫會延緩化學反應發(fā)生。熱敏打印紙，在溫度低于60 ℃時需要很長時間(甚至幾年)才能發(fā)生變色化學反應(變成深色)；在溫度高于200 ℃時，變色反應瞬間(幾微秒內)完成。

3D 打印冬奧會產品

將有溫度、有情感的設計融入運動類、生活陪伴類產品和機器人形態(tài)中，這是中國探索現(xiàn)代人文藝術深度融入現(xiàn)代科技與人工智能的創(chuàng)新應用。2022 年北京冬奧會中亮相的3D 打印產品有奧運火炬、“雪花”飾物、雪車頭盔、速滑冰鞋以及滑雪機器人等[4]，各種高科技產品受到運動員的極大喜愛。

火炬“飛揚”由火炬外殼、內飄帶、燃燒系統(tǒng)組成。3D 打印火炬內飄帶(圖6)，材質為鋁合金，通過測試對比多種3D 打印材料，優(yōu)化火炬內部結構成形工藝，驗證和改進燃燒器3D 打印工藝，最終通過HIT-M290 三維金屬3D 打印機進行打印完成。

圖6 北京冬奧會火炬—“飛揚”以及3D 打印的火炬內飄帶

為了裝扮并布置冬奧氛圍，北京市西單路口西北角“開放冬奧”主題花壇的“雪花”是3D 打印的經過多道復雜工序處理的城市固廢材料(圖7)。3D 打印的仿真雪花表面具有凹凸不平的顆粒感，最大的一片雪花直徑達1.7 m。具體工序為分析固廢成分，去除有害物質，回收可用之物并粉碎成末，根據(jù)屬性和需求匹配3D 打印物品。以園林飾物“雪花”為例，適宜匹配碎石磚塊等建筑垃圾為制作原料，將黏合劑與固廢粉末混合均勻后加入打印機中完成制備工藝。變廢為寶的大膽創(chuàng)作讓人不由自主聯(lián)想到：廢物真是放錯位置的寶藏，這也體現(xiàn)了綠色、低碳和環(huán)保的奧運理念。

圖7 “雪花”飾物

圖8所示3D 打印的雪車頭盔是通過3D 掃描獲取運動員的頭部數(shù)據(jù)，綜合3D 設計和打印技術，根據(jù)每一位運動員的實際需求個性化定制而成。選用思看科技iReal 2E 三維掃描儀，采用非接觸式不貼點拼接技術，完成運動員頭部三維數(shù)據(jù)的獲取。東莞理工學院設計團隊再根據(jù)運動員的頭型，結合戰(zhàn)術特點實現(xiàn)個性化頭盔定制，其緩沖層設計采用了點陣結構。頭盔外殼由中國航天T800 碳纖維和純碳纖維材料加工而成，內襯采用華曙高科Flight 光纖雙激光燒結技術結合萬華化學新型TPU 材料打印而成。3D 打印的碳纖維外殼使得雪車頭盔質量(約1.1 kg)比國家隊之前使用的傳統(tǒng)頭盔減少了500 g，有效地為運動員減少了負重。

圖8 雪車頭盔

為了扭轉全球知名碳纖維速滑冰鞋均由歐美公司壟斷生產的局面，我國成功研制出第一代高性能碳纖維復合材料速滑冰鞋。與先前國家隊使用的高端速滑冰鞋相比，碳纖維冰鞋重量減輕3%~4%，冰鞋剝離強度提升7%，這一突破將推進冰鞋的迭代。通過采集速滑運動員腳型和足底壓力數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件建立運動員腳部模型，采用3D 打印技術實現(xiàn)冰鞋鞋楦的快速定制(圖9)。選用高性能碳纖維復合材料，在提升冰鞋性能的同時，實現(xiàn)輕量化制造。

圖9 速滑冰鞋

圖10所示的滑雪機器人亮相北京冬奧會。這款滑雪機器人的外殼及四肢的覆蓋件均采用SLA 3D 打印技術制造，材料為光敏樹脂材料，并經過后期噴涂上色再安裝于機器人上。

圖10 滑雪機器人

結束語

基于材料屬性特征，3D 打印機及其產品正發(fā)生著因物打印的靈活化調控，甚至使用廢棄物進行相宜產品的打印，實現(xiàn)了循環(huán)再利用的低碳社會，倡導了低碳環(huán)保和綠色制造的環(huán)境友好理念。