认识3D打印技术：如何走进你的生活

知名苹果产品分析师郭明錤透露，Apple Watch Series 10从今年下半年开始采用由3D打印技术生产的部件。苹果在去年的Apple Watch Series 9上曾试验过3D打印部件，但并没有大规模量产，而在经过大量的测试之后，3D打印大规模生产的效率似乎已有大幅改善。

据悉，苹果Apple Watch 3D打印机构件的供应商为铂力特，与先前不同的是，去年铂力特为设备供应商，今年则转变成零部件供应商。

苹果的供应商们已经开始实质性地采用这项技术来替代传统的CNC机加工方式进行生产，可以看出，3D打印技术正在得到更广泛的应用。苹果决定采用3D打印部件，成本优势可能是其中的重要因素，而率先用于Apple Watch，可能是这一产品在制造上没有苹果其他的硬件产品那么复杂。

过去近十年，3D打印仅在工业的某些特定领域中出现。关于3D打印的质量、材料、用户体验以及有限的应用场景等问题，一直存在争议，但这并未阻止3D打印技术的发展。在牙科及航空航天领域，3D打印新技术稳扎稳打，为行业实实在在降低了成本，提高了效率。

什么是3D打印技术？

传统的制造方法主要有两种 —— 等材制造工艺，即锻造和冲压同属塑性加工（或称压力加工），合称锻压：铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的空腔（称为铸模，材料可以是砂、金属甚至陶瓷）中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法；冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的成形加工工艺。减材制造工艺，一般是指在数控机床上进行零件加工的工艺方法：车铣刨磨是四种基本的加工方式，包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工，不同零件所需的加工方式不同，有的零件需使用其中多种方式才可完成零件的加工。

3D打印技术的原理主要基于“添加制造”的增材制造技术，它通过逐层堆叠材料的方式，将数字模型转化为物理模型实现物体的快速制造。在3D打印过程中，每一层都代表了打印机需要构建的一层物体的横截面。打印机根据数字模型的每一层信息，控制喷嘴、激光束或其他机械部件，将材料精确地堆积在正确的位置上。层间粘合是通过材料的熔化、固化或粘合来完成的，以确保整个物体的结构稳固。这种逐层堆积的方法允许制造出非常复杂的形状和结构，使得3D打印成为一种非常灵活和创新的制造技术。

· 数字化设计模型：打印的第一步是创建一个数字化的设计模型。这个模型可以由计算机辅助设计（CAD）软件创建，也可以通过3D扫描仪扫描实物物体得到。CAD软件允许用户在计算机上创建、编辑和优化三维模型，这些模型可以代表任何形状和大小的物体。

· 切片：一旦有了数字模型，软件会将其切割成薄薄的层次，即切片。这些层次通常非常薄，可以是数十到数百微米的厚度。每一层都代表了打印机需要构建的一层物体的横截面。

· 逐层堆积：3D打印机按照这些切片逐层堆积材料来构建物体。根据不同的打印技术，这些材料可以是塑料丝、粉末、树脂等。打印机根据数字模型的每一层信息，控制喷嘴、激光束或其他机械部件，将材料精确地堆积在正确的位置上。

· 层间粘合：每一层的材料在被堆积后需要与下一层进行粘合，以确保整个物体的结构稳固。这可能通过材料的熔化、固化或粘· 合来完成，不同的打印技术有不同的层间粘合方式。

· 重复堆积：打印机重复这个逐层堆积的过程，直到所有层次都堆积完成，形成最终的三维物体。

3D打印技术称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。1860年，法国人François Willème首次设计出一种多角度成像的方法获取物体的三维图像，并称这种技术为照相雕塑（Photosculpture），将24台照相机围成360度的圆同时进行拍摄，然后用与切割机相连接的比例绘图仪绘制模型轮廓。

1892年，Joseph Blanther首次在公开场合提出了“分层地形图”，发明了用蜡板层叠的方法制作等高线地形图的技术。1940年，Perera提出与Blanther不谋而合的设想，他提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作三维地形图的方法。增材制造就是沿袭了这个原理。

1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法。1980年，日本名古屋市工业研究所的久田秀夫发明了利用光敏聚合物成型的三维模型增材制造方法，同年5月申请了与该技术有关的第一项专利。1986年美国发明家查尔斯·赫尔（Charles W.Hull）成立了3D Systems公司，研发了STL文件格式，将CAD模型进行三角化处理，成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一；1988年，公司在成立两年后，推出了世界上第一台基于立体光刻SL技术的3D工业级打印机SLA-250。

此前还没有3D打印这个名称，那时比较为研究领域所接受的名称是“快速成型”。1993年麻省理工学院教授Emanual Saches作为主要研发者和其他人共同发明了3DP（Three-Dimensional Printing），即三维印刷技术，利用当时已经普及的喷墨打印机，把墨盒里面的墨水替换成胶水，用喷射出来的胶水来粘接粉末床上的粉末，结果可以打印出一些立体的物品。他们兴奋地将这种打印方法称作3D打印（3D Printing），将他们改装的打印机称作3D打印机。此后，3D打印一词慢慢流行，所有的快速成型技术都统称为3D打印技术。

3D打印技术分类

各种各样的3D打印技术已经被开发出来，具有不同的功能。根据ASTM标准F2792 ， ASTM将3D打印技术分为七大类：定向能沉积、材料挤压、材料喷射、粘结喷射、粉末床熔融、片材层压和还原光聚合。

· 定向能沉积（Directed Energy Deposition）

定向能沉积是一种更复杂的打印工艺，通常用于修复或向现有组件添加额外材料。可用于陶瓷、聚合物，但通常用于金属和金属基混合物，以电线或粉末形式的打印。

· 材料挤压（Materials Extrusion）

材料挤压顾名思义材料通过喷嘴挤出，通常情况下这种材料是一种塑料细丝，通过一个加热的喷嘴进行熔化和挤出。打印机沿着通过软件得到的工艺路径将材料放置在构建平台上，然后灯丝冷却并凝固形成固体物体。

· 材料喷射（MaterialsJetting）

在材料喷射中，打印头将固化的光敏材料滴入，一滴一滴地选择性沉积建筑材料，在紫外线（UV）光下逐层构建零件。材料喷射过程的性质允许在同一物体上打印不同的材料，可以制造多种颜色和纹理的零件。

· 粉末床熔融（Powder Bed Fusion）

粉末床熔融热能源选择性地熔化构建区域内的粉末颗粒（塑料、金属或陶瓷），以逐层创建固体物体。粉末床融合3D打印机在打印床上散布一层薄薄的粉末材料，通常使用一种刀片、滚筒或擦拭器。来自激光的能量融合粉末层上的特定点，然后沉积另一个粉末层并融合到前一层。重复该过程，直到制造出整个物体，最终产品由未融合的粉末包裹和支撑。

· 粘结喷射（Binder Jetting）

粘合剂喷射是将液体粘合剂选择性地粘合一层粉末的区域，该技术类型兼有粉末床熔合和材料喷射的特点。与PBF类似，粘合剂喷射使用粉末材料（金属、塑料、陶瓷、木材、糖等），并且与材料喷射一样，液体粘合剂聚合物从喷墨器沉积。无论是金属、塑料、沙子还是其他粉末材料，粘合剂喷射过程都是相同的。

· 片材层压（Sheet lamination）

片材层压是将非常薄的材料片堆叠和层压在一起以产生3D物体或堆叠，然后通过机械或激光切割以形成最终形状。材料层可以使用多种方法融合在一起，包括加热和声音，具体取决于材料，材料范围从纸张、聚合物到金属。当零件被层压然后激光切割或加工成所需的形状时，会产生比其他3D打印技术更多的浪费。

· 还原光聚合（Vat Photopolymerization）

还原光聚合通常是指使用激光、光或紫外线固化光反应性聚合物。换句话说，光线精确地指向液体塑料的特定点或区域以使其硬化。第一层固化后，构建平台将向上或向下移动（取决于打印机）少量（通常在0.01和0.05毫米之间），下一层固化，与前一层连接。逐层重复此过程，直到形成3D部件。3D打印过程完成后，清洁物体以去除剩余的液态树脂并进行后固化（在阳光下或紫外线室中）以增强部件的机械性能。

3D打印技术的优势

相对于等材制造工艺与减材制造工艺，3D打印技术具有许多的优势。对于几何结构复杂物品（比如内部有非常复杂的拓扑结构或空腔结构的物品），传统的制造工艺是无法进行加工的，需要将物品进行分解分别加工再组装。而3D打印将物体分解成一层一层的2D区域，因此加工任意复杂的物体都没有问题，加工精度只是取决于打印机所能输出的最小材料颗粒。

在一些情况下，当需要制造新的部件或需要在原部件上改动时，数字化的3D设计文件可以很容易修改，不需要对生产线进行大幅重新装配；相比之下，当部件设计需要修改时，注模或压铸等传统制造方法需要花费大量成本对生产线进行重新装配。

3D打印技术可以“去中心化”的方式制造产品，有利于减少产品到达客户手中的时间，也有利于减少成本、能耗及运输产生的环境影响。3D打印“按需制造”的能力有利于制造商减少库存，生产准备成本低，再加上适于小批量生产，可有效减少在库存上冻结的资金及相关的存储和保险费用。

3D打印技术的缺点

3D打印作为一项年轻的成型工艺，还存在着许多的不足。在3D打印中，3D模型输出的是一个实物模型，更多需要考虑的是实物模型的物理属性（力学属性与功能属性）。力学能力有限以及表面精度不足这两大缺点，限制了3D打印技术在其他领域的应用，如果3D打印想要应用在更多领域，需要改进这些缺点，或者提高后道工艺的效率。

给定一个3D数字模型，需要离散成三角网格（STL文件），然后加填充结构、加支撑结构，然后切片计算和路径规划，最后才送到3D打印机，通过G代码输出一个实物模型。这个过程是3D打印机的切片引擎软件的主要工作，中间涉及到大量的几何计算。在很多情况下，输入的3D模型存在着一些问题，并不能直接输出给3D打印机，比如：3D模型本身的拓扑结构不规范，无法切片；由于出现悬空部分而打印失败；模型的尺寸太大，超过打印机所能打印的尺寸限制；没有考虑稳定性导致打印出物体无法正常放置等。

现阶段3D打印的实际使用仍属于快速成型范畴，即为企业在生产正式的产品前提供产品原型的制造，业内也称作手板。因此，3D打印成型工艺现阶段是作为与传统制造工艺互补的方式存在，要成为主流的生产制造技术还尚需时日。

3D打印技术的未来

材料的不同组合能得到不同物理特性的物体，组合优化也是是几何的空间分布优化；不同的组合材料、功能材料、梯度材料的设计与优化，使用多重材料混合打印是3D打印技术值得探索的方向。混合打印是指在一台设备上完成两种不同机理的加工过程，如3D打印和切削加工混合，电加工和超声波加工混合等。

这种新的融合技术，是否能够替代原来独立的3D打印与CNC减材制造，成为一种全新的加工方式？如果想要实现混合打印，需要在硬件以及软件上同时发力。2020年10月， 美商务部将六项新兴技术添加到《出口管理条例》的商务部管制清单中，其中就包括混合增材制造，涉及硬件制造设备与计算机数控软件。美国把混合增材制造技术与半导体技术放在一起，足以证明这些技术的重要性。

3D打印技术的机构设计研究仍处在初级阶段，3D打印机的机械结构与其它制造方式相比显得较为简单，人们对于机器人的憧憬，对于3D打印机构设计这个研究方向而言既是一个机会也是一个挑战。如何更简单、高效地设计动态3D打印模型甚至3D打印机器人也可能成为未来这方面研究的重点。

此外值得注意的是，4D打印技术是指由3D打印技术制造的智能材料结构，在一定的环境激励下，可以随时间产生形状结构的变化，智能材料在外界环境激励下，如温度场、电磁场、湿度、光等，能够自动完成相应的反应（比如膨胀或收缩）。相比于3D打印技术增加了一个额外的维度：时间t，可表征一切智能打印材料中所隐含的可变参量的总代表。4D打印对于制造业所带来的变革将是深远的，具有非常广阔的应用前景。