3D打印技術(shù)極大地革新了制造業(yè)的生產(chǎn)方式，有人甚至稱之為“第三次工業(yè)革命”，那么，3D打印的秘訣是什么？它是如何運(yùn)作的呢？前不久，世界首架3D打印的無人機(jī)試飛成功，時(shí)速達(dá)到241千米。對(duì)于一款民用無人機(jī)來說，這個(gè)速度非常驚人。美國無人機(jī)制造商極光飛行科學(xué)公司的航空研究工程師丹·坎貝爾(DanCampbell)表示，3D打印技術(shù)能讓設(shè)計(jì)師對(duì)特定的元件進(jìn)行定制，以改進(jìn)無人機(jī)性能，大大加快無人機(jī)的生產(chǎn)速度，并有效降低生產(chǎn)成本。

3D 打印進(jìn)入無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域后，很快就給整個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來了積極的影響

3D打印的基本原理

    對(duì)于3D打印，首先要搞清楚的就是：它的叫法其實(shí)是不準(zhǔn)確的。確實(shí)，3D打印的程序本質(zhì)上是2D(二維)打印，只不過需要在2D打印的基礎(chǔ)上一遍又一遍地打印、一層又一層地疊加，直至一件3D產(chǎn)品最終成型。

     通常，2D 打印有多種方式，但都需要將墨水粘在紙上或卡片上。墨水是復(fù)雜的液體，由染料、溶劑和其他物質(zhì)組成。墨水在不使用時(shí)保持濕潤狀態(tài)，一旦由打印機(jī)打印到紙上，與空氣接觸后，就會(huì)顯現(xiàn)出顏色并立即變干。墨水一點(diǎn)點(diǎn)地疊加，在紙上形成字母、文字以及圖片，變干后就會(huì)自動(dòng)留在紙上，且保持永久不脫落。

    3D 打印就好比把油墨層一層一層地堆疊起來，達(dá)到一定厚度，每層厚度只有幾微米(一微米等于百萬分之一米)。另外，2D 打印的墨水相當(dāng)規(guī)范，而對(duì)于3D 打印來說，幾乎任何物質(zhì)都可以充當(dāng)墨水，比如尼龍、塑料、金屬、食材、生物組織，乃至紙張本身等。

        在3D 打印機(jī)執(zhí)行打印任務(wù)之前，首先要用電腦設(shè)計(jì)好要打印的東西，比如一只杯子。通常是使用三維建模軟件來構(gòu)建需要打印的物體的3D 模型。這些建模軟件有簡單實(shí)用的，也有復(fù)雜專業(yè)的，但無論哪一種，都需要進(jìn)行一定的培訓(xùn)學(xué)習(xí)才能掌握。當(dāng)然，如果僅僅是想打印一個(gè)和現(xiàn)有物體一模一樣的復(fù)制品，也可借助3D 掃描儀來快速建?！苯訏呙柽@個(gè)物體，比如一塊化石或者一個(gè)機(jī)器零件。有了電腦中的這些模型，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件將這些3D 模型切分成水平薄層，打印機(jī)就能按要求把這些一層層的“薄片”疊加打印出來，最終“壘”成要打印的物體。最近，古埃及法老圖坦卡蒙國王(KingTutankhamun) 的木乃伊復(fù)制品已按實(shí)際尺寸打印出來了，羅丹的著名雕塑《思想者》(TheThinker )也是以同樣的程序?qū)θ睋p處進(jìn)行了修補(bǔ)。這兩件作品都是先由3D 掃描儀掃描建模，然后由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)這些3D 模型進(jìn)行切分，最后用3D 打印機(jī)一層層疊加打印出來的。

通過電腦建立模型后，才能在打印機(jī)上面打印

建立模型后，電腦還要將模型切分成水平薄層

    那么，這些薄層究竟是如何被打印出來的？這說起來稍稍有些復(fù)雜，因?yàn)?D 打印不止一種方式，現(xiàn)在屬于商業(yè)用途的至少有8 種，這些方式有些有類似的步驟，有些又截然相反。下面我們來看一看最重要的幾項(xiàng)3D 打印技術(shù)。

●立體光固化成型法(SLA)

     3D 打印的首次嘗試始于20 世紀(jì)80 年代。1983 年，美國發(fā)明家查克·赫爾(ChuckHull)發(fā)明了立體光固化成型法(SLA)。1987 年，SLA 技術(shù)開始應(yīng)用于商業(yè)，并沿用至今。3D 打印技術(shù)最初被用于打印樣機(jī)。在21 世紀(jì)初期，由于納米技術(shù)使接近原子水平的精度成為可能，SLA 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。

     SLA 技術(shù)的主要原理是光聚合作用。利用光敏樹脂在遇到紫外線照射時(shí)由液態(tài)單體瞬間聚合成固態(tài)聚合物這一特性，在盛放液態(tài)樹脂的槽里，用紫外線對(duì)光敏樹脂進(jìn)行掃描，使光敏樹脂發(fā)生光聚合反應(yīng)，形成固化的薄層。如此反復(fù)，層層固化，最終形成一件3D 產(chǎn)品。

立體光固化成型(SLA)打印工作原理

    打印開始時(shí)，工作臺(tái)微微浸沒在液態(tài)樹脂中，使樹脂在工作臺(tái)上均勻地鋪上薄薄的一層，紫外線直接照射在需要固化的樹脂薄層表面，讓樹脂薄層發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化。一層固化完畢，工作臺(tái)下降數(shù)微米，讓液態(tài)樹脂在固化后的薄層上再鋪上薄薄的一層，再用紫外線照射，新固化的一層牢固地黏結(jié)在前一層上，如此循環(huán)往復(fù)，層層固化，直至整個(gè)零件制造完畢。

在這里，紫外線按照設(shè)計(jì)的掃描路徑，以由點(diǎn)到線、由線到面的順序照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使光敏樹脂凝固聚合，產(chǎn)生圖案。

●熔融沉積成型法(FDM)

    熔融沉積成型法(FDM)是20 世紀(jì)80 年代發(fā)明的一項(xiàng)3D 打印技術(shù)。FDM 技術(shù)的打印原理是：將各種熱塑性材料加熱熔化后由噴頭擠出，這些熔融狀態(tài)的材料冷卻(幾乎是瞬間冷卻)后便會(huì)凝固，并與底下的材料黏合在一起—也是一層一層地堆疊。FDM 技術(shù)的成本較SLA 低，尤其適合打印塑料制品及某些有機(jī)材料產(chǎn)品。

熔融沉積成型法(FDM)打印工作原理

●選擇性激光燒結(jié)(SLS)

      SLS 技術(shù)，即選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，同樣于20 世紀(jì)80 年代研制成功。SLS 技術(shù)使用粉末材料進(jìn)行打印。使用SLS 技術(shù)打印時(shí)，左邊的活塞上升，滾筒將粉末鋪滿工作臺(tái)，右邊的工作臺(tái)浸沒在粉末中，激光直接聚焦于目標(biāo)位置，當(dāng)激光打在粉末上，粉末就會(huì)與先前的固化層熔合(或稱“燒結(jié)”)。

當(dāng)一層截面燒結(jié)后，工作臺(tái)下降，這時(shí)滾動(dòng)裝置又會(huì)在上面均勻地鋪上一層粉末，開始新一層的燒結(jié)。如此反復(fù)操作，直到整個(gè)產(chǎn)品在粉堆里完成。在選材方面，玻璃，聚苯乙烯，以及金屬如鐵、鈦、銀、鋁等，都是SLS技術(shù)的理想材料。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印工作原理

3D 打印的軟肋

     不管3D 打印技術(shù)如何顛覆制造業(yè)，它還是存在一定的問題。一是傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)會(huì)使產(chǎn)品留有層疊的痕跡。通過顯微鏡觀察打印成品，其層疊的痕跡清晰可見，這說明3D 打印的產(chǎn)品除了在順著打印方向受力時(shí)顯得堅(jiān)固而結(jié)實(shí)，其他結(jié)構(gòu)還存在諸多薄弱點(diǎn)。若要打印抗拉力強(qiáng)的機(jī)械零件，情況就不妙了，因?yàn)榇蛴〕鰜淼牧慵辉谝粋€(gè)方向具備強(qiáng)抗拉能力，當(dāng)方向轉(zhuǎn)變90°之后，其抗拉能力就會(huì)下降50%。二是打印時(shí)間長。極光飛行科學(xué)公司發(fā)現(xiàn)，雖然3D 打印無人機(jī)部件比在其他地方定制無人機(jī)部件快得多，但并不表示在幾分鐘之內(nèi)就能完成打印—事實(shí)也遠(yuǎn)非如此!即使一個(gè)簡單的物件，3D 打印也要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。事實(shí)上，想要在商業(yè)上大規(guī)模地使用3D 打印技術(shù)，仍然有很長的路要走。正如美國3D 打印公司“碳3D”(Carbon 3D)的總裁約瑟夫·德西蒙(Joseph DeSimone)所說：“3D打印的速度太慢了!”2013 年，3D 打印產(chǎn)業(yè)的收入超過30 億美元，而離設(shè)定的2020 年要達(dá)到210 億美元的目標(biāo)還相距甚遠(yuǎn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制打印時(shí)長很關(guān)鍵!

     德西蒙認(rèn)為他已經(jīng)解決了上述兩個(gè)問題。他是一個(gè)高分子化學(xué)家、發(fā)明家和串行企業(yè)家，同時(shí)也是美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校(Universityof North Carolina at Chapel Hill)的教授，于2013 年在美國硅谷創(chuàng)立了“碳3D” 公司，2015 年推出新型打印系統(tǒng)—連續(xù)液體界面制造技術(shù)(CLIP)。

柳暗花明—CLIP 3D打印技術(shù)

    從技術(shù)上來說，CLIP 其實(shí)就是另一種形式的立體光固化成型法，其主要原理仍然是光聚合作用，同樣是利用紫外線照射光敏樹脂，使液體樹脂固化。與立體光固化成型法(SLA)不同的是，這里的打印件不是放置在工作臺(tái)上方由下往上層層打印，而是置于工作臺(tái)下方。當(dāng)工作臺(tái)上升并和液體槽慢慢拉開距離時(shí)，打印件就從上往下層層生長。直觀看來，像是工作臺(tái)從液體里面“拉”起了一個(gè)物件。

     CLIP 技術(shù)主要依賴于一種既透明又透氣的窗口，該窗口能同時(shí)允許紫外線和氧氣通過，并能控制氧氣進(jìn)入的量和時(shí)間。在這里，作為一種抑制劑，氧氣進(jìn)入后能夠在樹脂內(nèi)營造一個(gè)盲區(qū)，這種盲區(qū)最薄可達(dá)幾十微米(約為2~3個(gè)紅細(xì)胞的直徑)厚。在這些區(qū)域里，氧氣能抑制樹脂發(fā)生光聚合反應(yīng)。紫外線發(fā)射器把要打印的模型的一個(gè)橫截面從下方投射出去，只有在沒被氧氣抑制的區(qū)域，樹脂才會(huì)發(fā)生固化。就這樣，固化一層，工作臺(tái)就會(huì)微微升起一層的高度，反復(fù)完成這一步驟，直到整個(gè)模型被打印出來。

連續(xù)液體界面制造技術(shù)(CLIP)打印工作原理

CLIP 打印機(jī)正在從液體樹脂里“拉”起一個(gè)埃菲爾鐵塔模型

由于這種打印方法采用的是整層范圍的照射固化，因此，其各個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度十分均衡，而且打印速度較傳統(tǒng)的3D 打印快了25~100 倍。比如，一件產(chǎn)品用SLS 技術(shù)打印需要3.5 個(gè)小時(shí)，而用CLIP 技術(shù)只需要6.5 分鐘！

事實(shí)很好地證明了CLIP 技術(shù)正是3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的技術(shù)推動(dòng)力。當(dāng)3D 打印的SLS 技術(shù)在30 年前首次被使用時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)還沒有出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的性能還不如現(xiàn)在的電子手表。德西蒙及其團(tuán)隊(duì)的新思路預(yù)示著3D 打印的新時(shí)代將要來臨。現(xiàn)在，3D 打印已在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，惠及學(xué)校、醫(yī)院，甚至工商界。只要科研人員的研究步伐不停止，人類對(duì)3D 打印技術(shù)的追求就永遠(yuǎn)不會(huì)停止！

來源：中國3d打印網(wǎng)

編輯：董強(qiáng)