全面了解3D打印技术及其应用 - Formnext Asia Shenzhen

3D打印技术，也被称为增材制造，是一种基于数字模型文件的快速成型技术。它利用粉末状的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式，将数字模型转化为实体物体。

材料技术及其分类

3D打印领域涉及多种技术，它们的核心差异在于所使用的材料类型以及如何通过层层构建来创建部件。这些技术允许使用各种材料，包括尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙、石膏、铝、钛合金、不锈钢，以及橡胶类等。

以下是部分3D打印技术的分类及其所适用的材料类型：

• 挤压熔融沉积式（FDM）：适用于热塑性塑料、共晶系统金属和可食用材料。
• 线电子束自由成形制造（EBF）：几乎可以用于任何合金。
• 粒状直接金属激光烧结（DMLS）：同样适用于几乎所有合金。
• 电子束熔化成型（EBM）：专注于钛合金的制造。
• 选择性激光熔化成型（SLM）：可用于钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝。
• 粉末层喷头3D打印：适用于石膏、纸、金属膜和塑料薄膜。
• 光聚合立体平板印刷（SLA）和数字光处理（DLP）：主要用于光硬化树脂。

这些技术不仅在材料选择上有所不同，而且每种技术都有其独特的应用场景和优势，为各种行业提供了广泛的定制化解决方案。

3D打印过程详解

3D打印，这一先进的制造技术，通过层层构建的方式将数字模型转化为实体部件。其打印过程不仅涉及材料的精确选择，还包括一系列复杂的物理和化学变化。从数字模型的创建到实体部件的成型，每一步都彰显了3D打印技术的精湛与神奇。

三维设计

首先，借助计算机建模软件如solidworks或CAD来创建所需的模型。根据设计尺寸精心绘制，并确保模型完全符合设计要求。完成建模后，将模型保存为STL文件格式，这是设计与打印机之间协作的标准文件格式。

2. 切片与打印

打印机通过解读STL文件中的横截面信息，逐层打印出液体、粉末或片状材料，再将各层紧密结合，最终形成实体。相较于传统的注塑法等制造技术，三维打印不仅速度更快、更具灵活性，还能以更低的成本制造出数量较少的产品。一台桌面级三维打印机便能满足设计师或开发团队制造模型的需求。

3. 打印完成与后处理

对于大多数应用而言，三维打印机所提供的分辨率已经足够使用。尽管在弯曲表面可能会存在些许粗糙度，类似于图像上的锯齿，但通过简单的后处理，如轻微打磨，便可以获得表面光滑的“高分辨率”物品。具体而言，可以首先使用当前的三维打印机打印出一个稍大一点的物体，然后再对其进行细致的表面处理，从而得到满足高分辨率需求的成品。

技术概览

三维打印技术以其独特的制造方式，为众多行业带来了革命性的变化。从原型制作到复杂零件的制造，再到个性化产品的定制，它都展现出了前所未有的优势。然而，对于追求更高分辨率和完美表面的应用来说，仅仅依赖三维打印机可能还不足以满足需求。因此，我们需要进一步探索后处理技术的奥秘，以实现更完美的打印成品。

立体光固化成型法

立体光固化（SLA）是一种基于光敏树脂的快速成形技术。其核心原理在于利用液态光敏树脂在紫外激光束的照射下迅速固化。当特定波长的紫外光（250 nm～400 nm）作用于光敏树脂时，会触发其聚合反应，实现固化。SLA技术的打印耗材主要是光敏树脂，这种技术被广泛应用于制造各种模具和模型。此外，通过在原料中添加特定成分，SLA原型模甚至可以替代熔模精密铸造中的传统蜡模。

在SLA成型过程中，首先在树脂槽中填充液态光敏树脂，并调整可升降工作台至液面下一个截面层厚的距离。接着，聚焦后的激光束在计算机的控制下扫描液面，被扫描的区域树脂迅速固化，形成该截面的一层薄片。然后，工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在紫外光下，重复扫描和固化过程。如此循环，直至整个产品成型。最后，升降台升出液体树脂表面，取出工件并经过后处理，如强光照射、电镀、喷漆或着色等，以获得所需的最终产品。

SLA光固化成型法经过长时间的发展和应用，已成为一项成熟的技术。它能够直接将CAD数字模型转化为实物原型，具有加工速度快、生产周期短、无需切削工具和模具等优点。此外，由于能够使用透明树脂类材料且成型表面质量光滑效果好，SLA技术在汽车外观件及结构件的验证、精密铸造中的蜡模制作以及文化艺术领域等方面有着广泛的应用。然而，需要注意的是，由于成型制件的强度较低、成型过程中可能受到的光污染以及产生的气味等问题，SLA技术在某些应用场景中可能存在一定的局限性。

2熔融层积成型技术

FDM（熔融层积成型技术）是一种具有近30年历史的快速成型技术。它对于制造业企业新产品的开发至关重要，能够推动企业产品创新、缩短开发周期并提升产品竞争力。通过软件预设的坐标，FDM工艺能精确地挤出热塑性塑料丝，自下而上逐层构建出所需零件。这种工艺使用的专业3D打印技术，使得零件具备良好的机械、耐热和化学强度。其清洁、易用的特性也让它非常适合办公室环境。此外，FDM工艺所支持的生产级热塑性塑料具有出色的机械和环境稳定性，能够制造出其他技术难以实现的复杂几何形状和内腔结构。其稳定的性能和重复性使得它非常适合小批量直接生产。值得一提的是，FDM工艺所使用的热塑性塑料与注塑成型、数控机床加工等传统制造工艺中所使用的塑料相同，因此能够满足高度配合紧密性、韧度和环境耐受性等特殊要求。同时，这些塑料还具有静电消散、半透明度、生物相容性以及VO可燃性和FST评级等方面的特殊性质。

3PolyJet技术

PolyJet技术，作为一种当前备受瞩目的3D打印技术，其原理与喷墨打印颇为相似，采用UV固化技术（即紫外固化）。这一技术能够在单次打印过程中实现彩色与多材料的融合，从而制作出接近真实产品的原型。更令人瞩目的是，它还能用于打印快速模具，为产品设计提供有效的验证。

在PolyJet 3D打印过程中，光敏树脂材料被逐层喷射到打印托盘上，每一层喷射后都会立即用紫外线光进行固化，使得部件可以即时取出并投入使用，无需等待二次固化。此外，为支持复杂几何形状而设计的支撑材料，可以轻松地用手剥离或通过水枪清除。

PolyJet技术以其高速打印、光滑表面以及兼具的彩色和软硬度特性，成为了制作接近真实原型的理想选择。新一代J850设备更是将颜色选择提升至50万种，层厚降低至14微米，使得企业能够迅速制作出与终产品外观高度一致的原型。同时，数字ABS材料的应用进一步拓展了PolyJet技术的功能边界，可打印快速模具以验证产品设计。该技术不仅适用于生成复杂形状、精致细节和平滑表面，还能同时打印7种材料，实现50万种颜色、渐变和纹理的灵活运用。通过类橡胶材料，可以模拟出不同的软硬度，从而快速制作出3D打印模具。整个打印过程办公环境友好，操作简便易懂。

应用领域

3D打印技术，以数字技术材料打印机为核心，其应用广泛。在模具制造和工业设计领域，该技术常被用于制造精确模型。随着技术的发展，它已逐渐拓展至产品的直接制造，甚至出现了采用这种技术打印的零部件。此外，3D打印技术在珠宝、鞋类、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗、教育、地理信息系统、土木工程以及枪支等多个领域均有所作为。

医疗领域的应用

3D打印技术在医疗领域也展现出了广泛的应用前景。通过数字技术材料打印机，医生能够制造出精确的医疗器械和人体组织模型，从而更有效地进行手术规划和诊断。此外，3D打印技术还可以用于直接制造人体组织，如骨骼、牙齿等，为患者提供更个性化的治疗方案。同时，它在药物研发和生物医学工程方面也发挥着越来越重要的作用。

整形外科领域的应用

在整形外科领域，3D打印技术发挥着至关重要的作用。它被广泛应用于烧伤治疗、面部重建、隆鼻及隆颏假体的个性化定制、颅骨缺损的个性化修复，以及下颌骨重建术和截骨手术等方面。

骨科和脑外科的应用

3D打印技术在骨科和脑外科领域主要以骨骼打印为主。它不仅有助于医生辅助讲解病情、进行手术规划，还能用于定制义肢、膝关节和腰部等植入物，为患者提供更合适的治疗方案。

口腔科的应用

在口腔科，3D打印技术同样展现出了其独特的优势。医生可以利用它来个性化定制牙齿隐形矫正器和牙齿接种方案，帮助学生和患者改善牙齿排列和功能。

教学用具与康复辅助设备

此外，3D打印技术还能用于制造高质量的医学教学用具，如人体骨骼、血管等器官模型，以及助听器、个性化矫形外骨骼等康复辅助设备。这些设备不仅有助于医学教学，还能为患者提供更有效的康复治疗。

药物试验研究

在药物试验研究方面，3D打印技术同样大有可为。它能够打印出肝脏、肾脏等器官模型，用于药物试验和研究，为新药研发提供有力支持。

器官移植的希望

更为令人振奋的是，3D打印技术也为器官移植带来了新的希望。目前已有病例证明，打印的外耳、气管、膀胱等器官可以在病人身上成功移植，而打印出的肾脏、皮肤和心脏等器官则有望为人类提供更多的器官移植来源。

未来展望

随着3D打印技术的不断进步和应用领域的扩展，我们有理由相信，它将在医疗领域发挥更加重要的作用，为患者带来更多更好的治疗方案和康复选择。

3D打印技术不仅在医疗领域有着广泛的应用，它还有潜力推动制药行业的革新，并为众多疾病患者带来更为便捷的生活体验。想象一下，我们日常需要服用的多种药物，其复杂的组织、时间安排、药物相互作用以及监测要求，往往让人应接不暇。然而，3D打印技术以其出色的精度，为这一难题提供了解决方案。与传统胶囊不同，3D打印的药丸能够巧妙地结合多种药物，并精准控制每种药物的释放时机。这一创新概念在糖尿病患者身上得到了初步测试，并展现了令人振奋的前景。

土木工程领域

3D打印技术在土木工程建设中展现出显著的成本降低和环保优势，这是传统建筑方式所无法比拟的。随着技术的不断进步，3D打印已逐渐成熟，并能解决传统建筑方法难以处理的弯曲建筑物模型问题。该技术不仅能以轻量和高强度打印出建筑物，还可采用组件打印后组装的方式，灵活应对不同建筑需求。若需打印高层建筑，大型3D打印机则能派上用场，同时确保建筑物的强度与稳定性。

3D打印在土木工程中的应用不仅局限于建筑物的整体打印，还包括对架构模型的精细打印。通过3D打印技术，土木工程师能够轻松创建出各种复杂的架构模型，为设计和分析提供直观的视觉效果。这种精细的打印技术使得设计师能够更准确地理解和呈现建筑物的结构和细节，从而提高设计的精度和效率。

航空航天领域

随着3D打印技术的飞速发展，其在航空航天领域的应用也日益广泛。目前，该领域的研究主要集中在两个方面：其一，是零件模型与零件验证的快速制造。针对非金属材料，熔融沉积建模、立体光刻、层压物体制造以及3D打印等技术被广泛应用。其二，则是使用金属烧结、选择性激光烧结、激光快速成型和电子束熔化等技术，以大尺寸制造金属材料的零件和整体结构。这些不同的成型技术各有千秋，例如，立体光刻技术以其高精度、高强度和高硬度以及彩色成型能力而著称，尽管其成型后表面坚硬。熔融沉积建模则以快速成型和低成本优势吸引人，但准确性有待提高。而选择性激光烧结技术以其简单易用、灵活性和准确性著称，可适用于多种材料。层压物体制造在模型支持、低成本和高效率方面表现不俗。然而，基于添加和累积的3D打印技术凭借其速度快、成本低、材料应用广泛、柔性高以及集成度高等特点，在传统技术中脱颖而出，展现出巨大的优势。通过这些技术，航空航天领域制作的部件种类繁多，其中夹具和治具的应用尤为广泛。

3D打印技术的设计灵活性使得针对特定任务、个人或设备优化夹具、治具及其他制造辅助用具成为可能，而且不会增加成本或延长生产时间。这一特点在航空航天领域尤为显著，推动了该领域生产零件的多样化与效率提升。

满足小批量生产定制零件的需求，无需额外延时和加工费用，即可在内部高效生产出耐用、稳定且具备复杂几何结构的零件。此外，该技术同样适用于复合材料的加工。

FDM技术为复合零件的制造带来了极大的便利，其设计自由度无与伦比。利用这项技术，仅需数天时间，便可高效生产出耐高温且成本效益显著的工具。

汽车工业的应用

随着汽车工业的飞速发展，对汽车轻量化设计的需求日益迫切，设计周期的缩短和制造成本的降低成为行业追求的目标。而3D打印技术的出现，为这一需求提供了有力的技术支持。2013年5月1日，首款3D打印汽车Urbee 2的问世，标志着3D打印技术在汽车制造领域的广泛应用已成为可能。

在汽车的生产流程中，热塑性高聚物材料被广泛应用于装饰部件和某些结构部件的制造。相较于传统方法，3D打印技术不仅显著缩短了制造时间，更在制造复杂结构零件方面展现出卓越性能。此外，通过一步成型技术，3D打印能够充分利用低密度的工程热塑性塑料，从而减少了传统连接零件的使用，为车辆的轻量化做出了显著贡献。

3D打印技术在汽车制造中的应用不仅局限于车身和部件的制造，还延伸到了操纵器的设计制造。通过3D打印技术，可以轻松实现操纵器的复杂结构设计，并且能够一步成型，充分利用低密度材料，实现轻量化的设计目标。这一技术的运用，不仅提高了操纵器的制造效率，还为其带来了更优的性能和更长的使用寿命。

未来发展

3D打印技术近年来在国外得到了迅猛的发展。尽管我国起步稍晚，但随着3D打印概念的逐渐普及，这一技术已引起了国内各界的广泛关注。为了进一步推动增材制造的标准化进程，促进该技术和产业的繁荣，我国于2016年成立了全国增材制造标准化技术委员会。这一举措不仅有助于整合资源，推动3D打印产业集群的集聚发展，更将引领制造业向更高层次转型升级，使增材制造技术成为我国经济的新增长点。

展望未来，3D打印技术将在多个方面迎来新的开发与应用。首先，规范化将成为选择3D打印材料的重要依据。由于3D打印材料成本高昂，因此混合材料的使用较为普遍。然而，若能开发出低浪费、低排放的标准化材料，将极大扩展3D打印材料的选择范围。

其次，科学技术的融入也将进一步提升3D打印技术的性能。通过内部过程监控和反馈机制，可以优化机器间的连接、提高可重复性和一致性，从而减少设备停机时间。

此外，便捷的操作性也是3D打印技术未来发展的重要方向。目前，CAD工具已广泛应用于3D打印领域。若能进一步简化操作流程、提高便利性，将有助于3D打印技术的普及推广。

同时，智能化技术也将为3D打印带来革命性的变化。通过简化软件功能和处理要求，如实现材料转换自动化和废粉处理智能化等，将进一步推动3D打印技术的普及和应用范围扩大。

然而，3D打印技术的发展也面临一些挑战。例如，某些3D打印材料可能存在环境安全风险和对人体健康的潜在危害。同时，3D打印技术也可能引发信息或技术披露问题，威胁国家安全和社会稳定。因此，在未来的发展中，需要在环境安全、知识产权保护和技术保护等方面加强研究和应对措施的制定与实施。

发展挑战

尽管3D打印技术展现出了巨大的潜力和应用前景，但其发展仍面临诸多挑战。其中，环境安全问题和知识产权保护是亟待解决的重要议题。首先，某些3D打印材料可能存在环境安全风险，如释放有害物质或对生态环境造成影响。因此，在材料选择和使用过程中，必须严格把控环境安全标准，确保材料的安全性和环保性。其次，随着3D打印技术的普及和应用范围的不断扩大，知识产权保护问题也日益凸显。如何合理保护原创作品、防止技术被盗用或侵权行为成为亟待解决的问题。因此，在推动3D打印技术发展的同时，必须加强知识产权保护意识，完善相关法律法规和保护机制。

精度难题

在3D打印过程中，由于逐层打印成形的特性，存在一个“台阶效应”。为了追求更高的打印效率，每层铺设的厚度通常会增加，这不可避免地会导致打印精度的下降。然而，若要提升打印的精细度，每层铺设则需更薄，从而使得打印时间显著延长。这种权衡使得打印精度与速度成为了一对难以调和的矛盾。

材料及机器限制

3D打印机的性能与其打印材料密切相关。根据3D打印机的种类和级别，可用的打印材料形态各异，包括固体粉末和液体等。这些材料可以是塑料、金属等不同类型，但值得注意的是，可用于3D打印的材料种类相对较少且价格昂贵。此外，一台打印机通常仅限于使用一种类型的材料。若需打印不同材质的物品，必须拥有相应类型的3D打印机。在3D打印机问世后的30多年里，尽管这种机器具有强大的制造能力，但其普及推广速度并未达到预期，其中材料的限制是一个不容忽视的原因。