科普：3D列印那些事兒

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3D列印即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。3D列印通常是採用數字技術材料印表機來實現的。

一. 3D列印發展歷史

·1986年，Charles Hull開發了第一台商業3D印刷機。

·1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術專利。

·1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權並開始開發3D印表機。

·2005年，市場上首個高清晰彩色3D印表機Spectrum Z510由ZCorp公司研製成功。

·2010年11月，世界上第一輛由3D印表機列印而成的汽車Urbee問世。

·3D列印圖片2011年6月6日，發布了全球第一款3D列印的比基尼。

·2011年7月，英國研究人員開發出世界上第一台3D巧克力印表機。

·2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3D列印的飛機。

·2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D印表機列印出人造肝臟組織。

·2013年10月，全球首次成功拍賣一款名為「ONO之神」的3D列印藝術品。

·2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D列印公司「固體概念」(SolidConcepts)設計製造出3D列印金屬手槍。

·2017年1月16日，科技公司Bellus 3D可完整拍下高解析度的人臉3D照片，這些照片進行3D列印出的面具與真正的人臉。

·2017年4月7日，德國運動品牌阿迪達斯（adidas）推出了全球首款鞋底3D列印製成的運動鞋，計劃2018年開始批量生產，以應對快速變化的時尚潮流，生產更多定製產品。

3D列印類型一覽表

二. 常用技術技術介紹

1、熔融沉積造型（Fused deposition modeling，FDM）：FDM加熱頭把熱熔性材料（ABS樹脂、尼龍、蠟等）加熱到臨界狀態，使其呈現半流體狀態，然後加熱頭會在軟體控制下沿CAD 確定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層。

2、光固化立體造型（Stereolithography，SLA）：SLA 光固化設備也會在開始「列印」物體前，將物體的三維數字模型切片。然後電腦控制下，紫外激光會沿著零件各分層截面輪廓，對液態樹脂進行逐點掃描。被掃描到的樹脂薄層會產生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。

當一層固化完畢，升降工作台移動一個層片厚度的距離，在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此循環往複，直到整個零件原型製造完畢。

SLA 工藝的特點是，能夠呈現較高的精度和較好的表面質量，並能製造形狀特別複雜（如空心零件）和特別精細（如工藝品、首飾等）的零件。

3、選擇性激光燒結（SLS）：先將一層很薄（亞毫米級）的原料粉未鋪在工作台上，接著在電腦控制下的激光束通過掃描器以一定的速度和能量密度，按分層面的二維數據掃描。激光掃描過的粉末就燒結成一定厚度的實體片層，未掃描的地方仍然保持鬆散的粉末狀。

一層掃描完畢，隨後對下一層進行掃描。先根據物體截層厚度升降工作台，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，然後再開始新一層的掃描。如此反覆，直至掃描完所有層面。去掉多餘粉末，再經過打磨、烘乾等適當的後處理，即可獲得零件。

目前應用此工藝時，以蠟粉末及塑料粉末作為原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進行粘接或燒結的工藝尚未實際應用。

4、層片疊加製造（Laminated object manufacturing，LOM）：在層片疊加製造工藝中，機器會將單面塗有熱溶膠的箔材通過熱輥加熱，熱溶膠在加熱狀態下可產生粘性，所以由紙、陶瓷箔、金屬箔等構成的材料就會粘接在一起。接著，上方的激光器按照CAD 模型分層數據，用激光束將箔材切割成所制零件的內外輪廓。然後再鋪上新的一層箔材，通過熱壓裝置將其與下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割。然後重複這個過程，直至整個零部件列印完成。

不難發現，LOM 工藝還是有傳統切削的影子。只不過它不是用大塊原材料進行整體切削，而是將原來的零部件模型分割為多層，然後進行逐層切削。北京太爾時代最開始研發的3D 印表機也是LOM 工藝的3D 印表機，不過因為採用紙作為原料，用激光切割存在點燃風險，且應用受限，所以太爾時代後來轉而主攻FDM 工藝。

5、三維印刷工藝（3D printing，3DP）：從工作方式來看，三維印刷與傳統二維噴墨列印最接近。與SLS 工藝一樣，3DP 也是通過將粉末粘結成整體來製作零部件，不同之處在於，它不是通過激光熔融的方式粘結，而是通過噴頭噴出的粘結劑。

噴頭在電腦控制下，按照模型截面的二維數據運行，選擇性地在相應位置噴射粘結劑，最終構成層。在每一層粘結完畢後，成型缸下降一個等於層厚度的距離，供粉缸上升一段高度，推出多餘粉末，並由鋪粉輥推到成型缸，鋪平再被壓實。如此循環，直至完成整個物體的粘結。

3D列印概況表

三. 3D列印常見問題及解決方式

1、3D模型列印出現層錯位

原因：切片模型錯誤；噴頭移動太快；列印中途噴嘴被強行阻止路徑；電壓不穩；機械問題；主板問題。

2、大象腳（當模型的最底層向外微微凸出，這種現象則稱為「象腳」）

解決方式：平衡列印平台溫度和風扇轉速；列印平台調平；檢查噴嘴高度；倒角的模型設計。

四. 3D列印的應用

1、無人機領域

存在的隱患：

3D列印讓無人機遭遇知識產權危機。

3D列印或加劇無人機黑飛現象。

3D列印或使無人機生產面臨更大的安全風險。

2、家用3D印表機

考慮的問題：

機身輪廓（採用全封閉的列印方式，這樣不論是從實際應用還是用戶心理角度，都能提供最安全的保護，尤其是在家庭使用環境中。對於年幼的孩童來說，全封閉的機身也能最大限度保證兒童的身體安全。）

觀察窗（觀察窗應該是多角度的，透明的，以便於使用者尤其是青少年兒童能夠觀察整個加工過程。）

界面設計（界面設計更多的是從交互設計和美觀設計來考慮，通過各種功能按鍵的合理化布局，滿足使用者在操作過程中最大限度減少誤操作，使用戶能夠更加輕易掌握各項功能的使用。）

色彩設計（現有的3D印表機大多外觀單一，造型冰冷，缺乏情感設計，尤其是色彩單一，大多數是以黑白色為主，很難讓兒童產生親切感。色彩是最具視覺衝擊力和表現力的形式要素，因此在桌面3D印表機的設計中，色彩系統在整個方案設計中非常重要。）

3、KAUST的感測器

組成部分：用於監測濕度的空氣電容器、電路板，以及一個完整的金屬條盒，用於隨後的感測器和一個天線。

應用場景：森林火災、工業泄漏、衛星觀測。

4、列印PCB

代表產品：

北京夢之墨（夢之墨是一種液態金屬墨水）墨水可以導電，置入3D印表機中，便可精確地把PCB列印出來。

沙烏地阿拉伯的研究團隊也研發了一項全新技術，在柔性貼紙上列印電路板。這項技術包括三個不同的製造技術：封裝材料的3D列印技術；基於納米級分子的銀材質墨水的噴墨列印技術；將電子電路與物體表面結合的精密卷繞對位技術。

德國的NexD1，可以一次容納六個墨盒，並混合不同的材料，如導電樹脂等，這種樹脂可以列印到與標準PCB同樣導電的電路板上。4、以色列和美國合作的DragonFly 2020 3D印表機，彙集了精確的噴墨沉積系統、先進的納米化學和先進的軟體列印技術，可以輕鬆列印PCB，並且成本更低、列印更迅速。

5、3D列印混凝土技術

性能要求：可擠出性；粘聚性；硬化混凝土的性能（耐久性）。

存在問題：原材料的問題；配合比理論的問題；軟體的問題；成型高度的問題。

研究發展：混凝土材料的研究；配套軟硬體的研究；列印工藝的研究。

6、醫療健康

發展狀況：

3D列印卵巢具有生育能力

3D列印補丁或有望修復心臟病患者受損的心臟

3D列印技術成功製造出人工血管

3D列印可定製血管支架

利用幹細胞定製具有抗炎作用的3D列印軟骨

3D列印「迷你大腦」 解密寨卡病毒

3D列印腦組織 可研究腦疾病

3D列印技術生產血管等複雜組織

世界上首例3D列印藥物問世（Aprecia葯業製造的藥物"Spritam"，主要用於治療羊癲瘋，已經在美國上市。）

五. 新材料、新技術介紹

1、Pidex直覺式設計平台

ANSYS SpaceClaim和湃睿科技聯合推出了Pidex直覺式設計平台：採用直接建模與參數化相結合。打破3D設計與3D列印之間的界限、面向增材製造的設計、列印前的分析、清理和修補、輕量化處理、面向增材製造的拓撲優化建模。

特點：

易用性：4個操作涵蓋了80%的功能，揉泥巴的建模方式，讓你不用去考慮尺寸，直覺式的操作，半小時就可以上手。

任意數據採用：直接建模的方式，以幾何為核心，可以導入任何3D、2D數據進行操作而不用擔心數據來源。

功能強大去解決棘手的問題：無論是用在快速迭代的概念設計、3D列印、分析模型準備、車間製造、逆向工程，都能讓3D 設計變得快捷、容易、柔性和有價值。

2、Hydro-Support

3DFuel推出了一款完全溶於水的3D列印支撐材料Hydro-Support。

3、液態玻璃

德國卡爾斯魯厄理工學院研究人員巴斯汀·拉普及其同事，發明了一種新技術，他們在標準3D印表機中使用可以自由流動的石英納米複合材料（被稱為「液態玻璃」）製作出複雜的形狀，然後經過熱加工處理，形成具有較高光學性能的熔融石英玻璃結構。這些結構既光滑又透明，細節特徵可以小至幾十微米。

4、SMP

來自喬治亞理工學院、新加坡理工大學和設計學院（SUTD）以及中國西安交通大學的研究人員團隊最近開發出一種新的3D列印方法，創造出可以永久改變其形狀的物體。智能形狀記憶聚合物（SMP）。

5、鋁合金粉末

SNDVARY(辛德華瑞)經過5年的努力研發出了超高流動性的鋁合金粉末。

6、鍍鎳的OXFAB-Ni

美國高級材料和3D列印公司Oxford Performance Materials（OPM）推出了一款新的PEKK 3D列印材料——鍍鎳的OXFAB-Ni。

六、國內發展前景

中國工程院有關報告指出，3D技術將對智能生產、智能加工和智能設備帶來推動作用。我國3D列印技術應該在可穿戴電子設備、可穿戴器件、個性化手術導板以及一些醫療模型等方面有更大的作為。

上海交通大學數字醫學教育部工程研究中心教授王成燾認為，個體化、精準化、微創化、遠程化是21世紀臨床醫學發展的四大方向，其中，數字技術是主要支撐，3D列印技術是重要內容。

據王成燾介紹，目前3D列印技術在臨床醫學的應用有三大領域——打模型、助力精準手術、量體個性化種植，接下來的研發方向是軟組織系統和組織工程支架的3D列印，同時也對模型的物理性能提出更高需求，如能否列印血管肌肉等。據了解，3D列印技術本質上並不是印刷技術，而是一種製造技術，業內也稱其為「增材製造」，與傳統製造業通過加工原料最終成型不同，3D列印技術是「無中生有」的製作過程，不僅不受原料幾何形狀的約束，還幾乎不產生廢料，能有效節約成本。

業內人士認為，3D列印技術更適合「製造和銷售高利潤的產品和服務，為消費者提供個性化和革命化的體驗」，它發展的出路不在於與傳統製造業一較高下，而是通過其高度的加工製造柔性與廣泛的材料適用性來與傳統製造業優勢進行互補，以其「精、准、快」的製造特點，促進傳統製造業轉型升級。

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