3D打印材料及研究热点

□ 王红 青岛尤尼科技有限公司

3D打印材料及研究热点

□ 王红 青岛尤尼科技有限公司

［导读］目前，随着3D打印技术这种新兴技术的快速兴起，受到了社会的广泛关注。本文从分析3D打印技术的概念入手，对3D打印材料进行了分析研究。

3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。目前，3D打印技术主要应用于产品原型、模具制造，以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

一、3D 打印过程简介

三维设计三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。折叠切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维 Systems› ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。折叠完成打印三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

二、3D打印技术所依托的关键技术

3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。

三、关于3D打印技术的有关材料及特殊要求

3D打印技术有3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术，技术不同所用材料则完全不同，与我们普通人和家庭所应用的最为普遍的是FDM3D打印技术，这种技术可以进入到家庭，操作简单，所用材料普遍易得，这种技术打印出产品也接近我们的生活用品，所用的材料主要是环保高分子材料，如：PLA、PCL PHA PBS PA ABS PC PS POM PVC，一般我们老百姓日常在家庭中所使用材料应考虑安全第一原则，所选材料要环保，如PLA、PCL PHA PBS 生物PA，而ABS PC PS POM PVC等不适于用于家庭应用，因为这种技术是一般是在桌面上打印，熔融的高分子材料所产生的气味或是分解产生有害物质直接与我们的人和家庭成员接触，容易造成安全问题，所以在家庭使用时一般建议用生物材料合成的高分子材料。工业零件等需要有一定强度功能的制件可以选择相适应的材料。

3D打印要实现快速产业化，产学研相结合是一条捷径，在技术积累、商业开发和资本动作方面还需要更多的知本和资本的投入。具体科研成果需要走出实验工厂迅速实现规模化和产业化发展。原材料也是制约我国3D打印技术发展的一大瓶颈，包括激光烧结在内的部分行业，我们不仅需要从国外购买设备，还需要进一步采购其原材料。国内并非没有可替代产品，但质量还不够稳定。有些是材料本身的问题，有些则是应用环境的问题。比如激光烧结粉末，这种原材料对包装要求极严，不能有丝毫的氧化。

3D打印要实现真正的产业化推广，上游原材料是一个躲不过也绕不开的核心问题，只有国内重视原材料开发，从实际需求入手解决原材料供应，才能实现3D打印的不受制于人。但因为不同的3D打印方法所需要的原材料是不同的，所以可以预见，这个突破过程可能需要较长时间。 从国家政策角度来说，任何政策的制定首先要有总体设计，这个设计一定是从底层开始的。一定要先把问题分析透彻，找到具体切入点才能具体制定。3D打印同样如此，国家要制定相关政策支持和推动这个产业发展，需要从各方面均衡考量，最基本的就是经费问题，没有经费投入，很多技术问题都会成为前进路上的障碍。从企业来看，更应该注重3D打印市场的发展及具体应用前景，做好市场调研，进一步确定能否实现利润和利润最大化。但不得不承认，3D打印产业尤其具有特殊性，具体投入很难短期见效，需要企业从一定高度来审视整个市场走势。

四、我国3D打印技术发展现状

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已用部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。 在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教育和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。

五、结语

随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。

［1］刘欣灵.3D打印机及其工作原理［J］.网络与信息，2012，（2）.

［2］邵宇.3D打印技术的发展与产品设计民主化［J］.工业设计，2013，（3）