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1 引言

   3D打印(three-dimensional printing) 技術(shù)是一種\從無(wú)到有" 的增材制造方法. 其思想起源于19 世紀(jì)末美國(guó)一項(xiàng)分層構(gòu)造地貌地形圖的專利, 并在20 世紀(jì)80 年代得以發(fā)展與推廣.

   3D 打印技術(shù)在美國(guó)發(fā)展迅速, 其發(fā)展?fàn)顩r基本可代表全球3D 打印技術(shù)的發(fā)展. 1988 年美國(guó)的3D Systems 公司生產(chǎn)出了第一臺(tái)3D 打印裝備SLA250, 開創(chuàng)了3D 打印技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元. 1991 年,美國(guó)Stratasys 公司的熔融沉積制造(fused deposition modeling, FDM) 裝備、以色列Cubital 公司的實(shí)體平面固化(solid ground curing, SGC) 裝備和美國(guó)Helisys 公司的疊層實(shí)體制造(laminated object manufacturing, LOM) 裝備都實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化. 1992 年, 美國(guó)DTM 公司(現(xiàn)屬于3D Systems 公司) 的激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering, SLS) 裝備研發(fā)成功, 開啟了3D 打印技術(shù)發(fā)展熱潮. 1996 年, 3DSystems 使用噴墨打印技術(shù), 制造出其第一臺(tái)3D 打印裝備Actua2100. 1996 年, 美國(guó)Zcorp 公司也發(fā)布了Z402 型3D 打印裝備. 國(guó)內(nèi)自20 世紀(jì)90 年代初開始3D 打印技術(shù)研發(fā), 以華中科技大學(xué)研制的LOM 裝備和SLS 裝備、西安交通大學(xué)的光固化成型(stereo lithography, SL) 裝備、北京航空航天大學(xué)的激光快速成型裝備以及清華大學(xué)的FDM 裝備最具代表性.

   3D 打印技術(shù)是一項(xiàng)革命性技術(shù), 3D 打印無(wú)需機(jī)械加工或者模具, 甚至無(wú)需在工廠進(jìn)行操作. 英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命" , 認(rèn)為該技術(shù)將改變未來(lái)生產(chǎn)與生活模式, 實(shí)現(xiàn)社會(huì)化制造, 每個(gè)人都可以成為一個(gè)工廠. 此外它將改變制造商品的方式, 進(jìn)而改變世界的經(jīng)濟(jì)格局, 最終改變?nèi)祟惖纳罘绞?

2 3D 打印技術(shù)的發(fā)展概述

   與傳統(tǒng)加工方式相比, 3D 打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)橛牲c(diǎn)到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過(guò)程, 極大地降低了制造復(fù)雜度。3D 打印技術(shù)在發(fā)展之初, 首先突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)在形狀復(fù)雜性方面的技術(shù)瓶頸, 能快速制造出傳統(tǒng)工藝難以加工、甚至無(wú)法加工的復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)特征. 隨著3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展, 現(xiàn)代3D 打印技術(shù)已經(jīng)超越傳統(tǒng)單材均質(zhì)加工技術(shù)的限制, 突破下述3 個(gè)復(fù)雜性. 材料復(fù)雜性: 可實(shí)現(xiàn)多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面紋理貼圖零件的直接制造; 層次復(fù)雜性: 可跨越多個(gè)尺度(從微觀結(jié)構(gòu)到零件級(jí)的宏觀結(jié)構(gòu)) 直接制造; 功能復(fù)雜性: 增材制造可以在一次加工過(guò)程中完成功能結(jié)構(gòu)的制造, 從而簡(jiǎn)化甚至省略裝配過(guò)程.

2.1 多材料、多色3D 打印技術(shù)概述

   多色的3D 打印技術(shù)能直接獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的彩色外觀, 而不需要后處理流程, 在消費(fèi)領(lǐng)域、原型手板及教育行業(yè)較以往的單色3D 打印制件有著巨大優(yōu)勢(shì). 多材質(zhì)的3D 打印技術(shù)能將不同性能的材料構(gòu)建于同一零件上, 縮短加工流程, 減少裝配, 提高性能. 3D 打印技術(shù)經(jīng)近些年的發(fā)展, 已經(jīng)出現(xiàn)多種實(shí)現(xiàn)多材料、多色打印的技術(shù)方法, 并開發(fā)出商品化裝備.

   Stratasys 公司的最新款3D 打印裝備Objet500 Connex3 (收購(gòu)自O(shè)bject Geomatries 公司) 支持同一部件多材質(zhì)、多色打印, 該系列3D 打印裝備采用Polyjet(噴射固化成型) 技術(shù), 由Object Geomatries 公司2007 年發(fā)布, 使用陣列式噴頭將光固化樹脂噴射到基底上然后用紫外光將其固化成形, 其層厚可達(dá)16 μm, 通過(guò)不同顏色樹脂的混合, 可以打印上百種色調(diào), 可用于牙科、醫(yī)療和消費(fèi)產(chǎn)品行業(yè)的3D 打印. Polyjet 技術(shù)使用特別設(shè)計(jì)的凝膠類支撐材料與所選的模型材料一起噴射, 以支撐懸垂和復(fù)雜的幾何圖形. 可用手或用水輕松將其除去. PolyJet 3D 打印技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是可同時(shí)打印多種材料, 包括上百種鮮亮顏色的剛性不透明材料、透明和著色的半透明色調(diào)材料、橡膠類柔韌材料和專業(yè)光聚合物, 特別適用于牙科、醫(yī)療和消費(fèi)產(chǎn)品行業(yè)的3D 打印. 與該技術(shù)原理類似的還有美國(guó)3D Systems 公司的多噴頭打印(multijet printing, MJP) 技術(shù), 其代表產(chǎn)品為Projet 5500X 3D 打印機(jī), 可實(shí)現(xiàn)兩種材料的按比例漸變混合打印。

   3D Systems 公司的ZPrinter 系列3D 打印裝備(收購(gòu)自Z Corporation 公司) 采用彩色噴墨打印(colorjet printing, CJP) 技術(shù), 該技術(shù)通過(guò)在粉末床上噴射彩色粘接劑的方法實(shí)現(xiàn)彩色技術(shù), 由于彩色粘接劑特性與彩色墨水類似, 通過(guò)混合漸變可實(shí)現(xiàn)真彩色制件打印. 最新款ZPrinter850 配有5 個(gè)打印頭(無(wú)色、青色、品紅、黃色和黑色), 能打印出39 萬(wàn)種顏色.

   Mcor 公司的Mcor IRIS 真彩色3D 打印裝備采用LOM 技術(shù), 配有墨盒, 根據(jù)每層的顏色將紙張雙面用普通彩色打印機(jī)打印成彩色, 再切出所需輪廓并粘接, 能打印出100 萬(wàn)種以上的接近真實(shí)色彩的3D 模型。

   以色列火龍理工學(xué)院的Studio Under 工作室開發(fā)了一種彩色陶瓷3D 打印技術(shù), 將特制的彩色粉末混入陶瓷黏土中, 然后用擠出式的3D 打印噴頭打印出來(lái), 從而得到彩色陶瓷制品。

   BotObjects 公司開發(fā)的ProDesk3D 彩色3D 打印裝備采用FDM 技術(shù), 將5種顏色的線材在調(diào)色打印頭中進(jìn)行色彩的調(diào)配, 這種技術(shù)還存在很多問(wèn)題, 如線材的控制和混合、噴頭內(nèi)殘余材料的去除等. 美國(guó)麥迪遜大學(xué)開發(fā)出一種彩色打印轉(zhuǎn)接器Spectrom), 該轉(zhuǎn)接器與FDM 3D 打印機(jī)相兼容,在塑料熔化時(shí)加入染色劑, 從而打印出不同顏色. 意大利的Stick Filament 公司8)提出在棒狀線材的兩端加上可以相互扣合的連接頭, 這樣不同顏色的PLA 線材就可以被連接在一起進(jìn)行彩色3D 打印。