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什么是3d打印技術介紹 3d打印技術介紹

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撰稿 | 關耳（季華實驗室）
還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個片段以非常形象的手法展現了一種對三維獸首進行掃描并復制重現的未來技術概念——3D打印 。而在現實世界，科技前進的步伐是不可阻擋的 。
我國在去年成功完成首次太空3D打印，對空間站在軌擴建和長期運行具有重要意義 。近期，某太空公司也宣稱將利用這項技術來制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進行全3D打印火箭的發射 。3D打印技術正展現出非凡的發展潛力與活力 。

什么是3d打印技術介紹 3d打印技術介紹

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圖1：3D打印技術
3D打印技術又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數字模型文件為基礎，將可粘合材料逐層疊加以構建現實三維物體的技術 。作為“決定未來經濟的12大顛覆技術”之一和第三次工業革命的引擎，3D打印標志著從傳統制造邁向智能制造的巨大產業變革，引發了新的技術革命浪潮 。
與傳統制造技術相比，3D打印技術具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點，在生產上可以優化結構、節約材料和節省能源，極大提高制造效率，實現“設計引導制造”的創新理念 。
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圖2：通用3D打印流程
圖源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
發展歷程
縱觀3D打印技術的發展史，最早可追溯至1984年由美國科學家Charles Hull發明的立體光固化成型技術（Stereolithography appearance，SLA） 。隨后又逐步發展出選擇性激光燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）、微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技術 。
進入21世紀以來，3D打印技術有了全新的突破，全球正式進入3D打印的高速發展階段，并在大類技術的細分下逐步涌現出了各式各樣的革新式小類工藝，以滿足特定行業需求，與傳統制造業形成有效互補 。
3D打印 *** 分類
根據國際標準化組織轄下增材制造技術委員會發布的ISO/ASTM 52900: 2015標準，3D打印工藝方案主要分為七大類 。
一、材料擠出型
Material extrusion
通過噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料 。如熔融沉積成型（Fused deposition modelling, FDM），是一種最為直觀也最常見的打印方式 。在打印時，設備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個實體 。打印材料主要為聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等 。
優點：設備和耗材的價格低廉、材料范圍廣、打印產品強度高 。
缺點：打印精度較低、打印樣件表面粗糙度大 。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
使用特定波長的光對液態聚合物進行選擇性光固化 。這類技術使用的材料是光敏樹脂，在光照下樹脂發生從液態到固態的形態轉變，從而實現打印過程 。根據光源類型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和數字光處理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印過程均不同 。其中，SLA使用激光逐點掃描液態樹脂面，點-線-面順序固化以完成一個層面的成型，再配合成型平臺的移動層層疊加構成三維實體 。DLP則采用整面曝光進行一個層面的成型，光源多為LED紫外光源，每層曝光圖形由數字動態掩模芯片等空間光調制器生成 。
優點：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高 。
缺點：材料范圍受限、材料性能較弱 。
三、定向能量沉積型
Directed energy deposition
利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝 。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于構建或修復現有結構 。其過程為，激光束等能量源在沉積區域產生熔池并高速移動，噴嘴將絲狀或粉末狀材料（如鈦和鈷鉻合金）送入高溫區被加熱至熔點，熔化后逐層沉積 。噴嘴或工作臺安裝在高度可移動的臂上，從而能夠高度靈活地移動 。
優點：無需支撐、加工靈活性高、可以實現構件的高效率制備和修復 。
缺點：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修復結構復雜的零件 。
四、材料噴射型
Material jetting
2D噴墨打印機的三維進化版 。材料噴射可分為連續材料噴射（Continuous material jetting, CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD） 。其基本原理是使用帶電偏轉板和電磁場，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺上，并利用紫外光源進行固化成型 。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數百個微小液滴，而SLA則是在整桶樹脂中，通過激光選擇性地逐點固化 。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等 。

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