隨著3D 打印技（jì）術的不斷進步和成熟，它在航空航天、生物醫藥、建築等領域（yù）的應用逐步拓寬，其（qí）方便快捷、能夠提高材料利用率等優勢不斷顯現，與傳統製造的結合也（yě）更加緊密（mì），不斷推動傳統製造業的轉型升級。目前，我（wǒ）國的3D 打印技術在某些領域處於世界領先水平（píng），但在產業（yè）化應用方麵與國外的差（chà）距較大，除了產學研用相脫節等問題，上遊（yóu）原材料製約也（yě）是阻礙3D打印產業化發展的重要原因。 

 

一、3D 打印材料的應（yīng）用現狀 

1.發達國家高（gāo）度重視3D打印材料的研發應用 

　　金融（róng）危機使美國、歐盟等發（fā）達國家和地區強烈意識到（dào）了（le）製造業空心化在麵對經濟波（bō）動時的（de）脆弱性，它們紛紛實行再工業（yè）化戰略，將3D 打印、新一（yī）代信息（xī）技術等作為發展重點。美國總統奧巴馬宣布，要投入5 億（yì）美元用於3D 打印產業（yè）以確保美國先進製造業發（fā）展；歐盟在諾丁漢大學、謝菲爾德大學等成立3D 打印中心（xīn）並給予基（jī）金支持，以推動3D 打印技術的產（chǎn）業化。同（tóng）時，發達國家也意識到了材料在發展（zhǎn）3D 打印產業過程中的重要性，美國專門出（chū）台了《材料基（jī）因組計劃》以適應3D 打印技術對材（cái）料的要求（qiú），成立關鍵材料創新中心、國家增材製造創新研究所（suǒ）來推動材（cái）料（liào）與3D 打印技術的融合發展。 

 

2.種類有增多（duō）趨（qū）勢，應用領域逐步拓寬 

　　隨著3D 打印需求的日益增加，可（kě）用的材料種類逐漸增（zēng）多，從最初的樹脂（zhī）、塑料（liào）拓展到金屬、陶瓷等。目前，可供3D 打印使用的（de）材料（liào）主要有3大類：一類是金屬材料，如鈦合金、銅鋁合金（jīn）、鎳鉻合金等，應（yīng）用於航空航天、醫藥等高端領域（yù）；一（yī）類是高分子材（cái）料，如ABS 、PLA、PC、尼龍粉、石膏粉、光敏樹脂、PVC 等；還有一類是（shì）無機（jī）非金屬，如陶瓷。3D 打印材（cái）料種類的增（zēng）加直接帶動了下遊應用領域的拓展，如鈦合金（jīn）和不鏽鋼材料在3D 打印領域的使用，促使波音公司嚐試使用3D 打印技術來生產飛機機翼，而我國也已經（jīng）能夠使用3D 技術生產飛機鈦合金鑄件。 

 

3.需求不斷增加，市場價值日益凸顯（xiǎn） 

　　隨著（zhe）3D 打印技術的成熟和市場開拓力度的加大，3D 打印的需求不斷（duàn）增加，市場價值逐漸提（tí）升。從品種（zhǒng）來看，金屬和塑料的需求較高，如2012 年（nián）塑料材料市場需求達到7000 萬美元。有（yǒu）專家估算（suàn），到（dào）2018 年，來自金屬和塑料材料的市場需求將達到4 億美元，其中塑料市場需（xū）求規模將達到2 億美元；2013-2018 年，塑料市場需（xū）求將保（bǎo）持20% 左右的增長。從應用領域來（lái）看，醫療和牙科領域市場需求較高， 其次是珠寶首（shǒu）飾、建築、航空航天、汽車等領域。從區域分布來（lái）看，美國、日本、中國、英國、德國對3D 打印材料的需求較大，2012 年北美（měi）和亞太地區3D 打印材料銷售收入（rù）占全球的68% 。其中，北美（měi）地（dì）區市場收入最高，其次是亞太地區。預計，未來隨著3D 打印在亞太地區的推廣，亞洲有望成為3D 打印材料（liào）需求增長最快的地區。

 

二（èr）、材料對3D 打印產業發展的製約

1.材料性能達不到要求，影響3D 打印的推廣（guǎng）

　　區別（bié）於傳統材料，3D 打印（yìn）技術對材料的（de）性能和適用（yòng）性提出了更高要求，最基（jī）本（běn）的（de）要求是材料必須可以液化、絲化、粉末化，在程（chéng）序控製下打印後還要能（néng）重新結合起來。除此之外，3D 打印材料還必須性能穩定，滿足3D 打印連續生產的需要；功能豐富，具有導電、水溶、耐磨等特性；綠色環保，對人體安（ān）全且對環境友好。但在現階段，3D 打印材料的成熟度不夠，材料精度、強度也不夠，一時還無法實現流暢打印的效果，而且材料的安全性也無法保（bǎo）證。 

 

2.可用材料種類偏少，難以（yǐ）滿足3D 打（dǎ）印需求

　　目前，無論是從家用還是工業用的角度來看，與種類繁多、用途廣泛的傳統材料相比，3D 打印材料的種類都比較少，無法滿足普通民眾和工業（yè）生產的需求（qiú）。比如，適用於家（jiā）用（yòng）3D 打印的材料主要有石膏、光敏樹脂、塑料等；適（shì）用於工業用（yòng）3D 打印的金屬材料有10 多種（zhǒng），並且隻有專用的金屬粉末（mò）材料才能滿足工業生產（chǎn）要求。即使是掌握打印材料最多的以色列Object 公（gōng）司（sī），也僅能在14 種基本材料基礎上組（zǔ）合出（chū）107 種材料，這與工（gōng）業和民用領域成千（qiān）上萬種材（cái）料需求相（xiàng）比還遠遠（yuǎn）不夠。 

 

3.材料成本較（jiào）高，限製（zhì）了應（yīng）用領域

　　盡管3D 打印減少了切削、成型等方麵的製造（zào）成本，卻增加了材料、軟件（jiàn）、設計等環（huán）節的成本，其中對材料成本的影響較大。由於適用於3D 打印技術的材料有限，並且現階段的（de）3D 打印更多是為（wéi）了滿足個性化生產需求，材料的專用性較強，無法實現規模化生產，這也致使3D 打（dǎ）印材料成本居高不（bú）下。比如（rú），2013 年7 月由美國北（běi）卡羅來納州立大學研究出（chū）來的可用於液態（tài）打印的金屬材料價格大（dà）約是塑料的100 倍，要想通過該材（cái）料來實現生產柔（róu）性金屬設備，如（rú）何降（jiàng）低材料成本就（jiù）成為關鍵。較高的（de）材料成本也限製了3D 打印的應用，特別是在民用領域的應用，比（bǐ）如一台民用3D 打印機的價格在2萬元左右，而材（cái）料的價格卻從最（zuì）便宜的（de）每千克幾百元到最（zuì）貴的四萬元左右不等。 

 

4.我國（guó）部分3D 打印材料（liào）依賴進口，限製了產（chǎn）業化應（yīng）用

　　由於3D 打印技術還處於起步發展階段，產業規模偏小，所以國內專業從事3D 打印材料生產的企業不多。同時，3D 打印（yìn）材料也大多由3D 打印設備製造企業直接提供，沒有實現第三方供應，部分材料國內還（hái）沒有生產，或是（shì）生產的（de）材料（liào）精度和（hé）強度都較低，難以滿足實際應用需要，隻（zhī）能進口。國內3D 打印材料（liào）技術研發基礎比較薄（báo）弱，光麵樹脂就遇到研發時間長、材料配比技術難掌握等研發（fā）難題，不得不從（cóng）國外進（jìn）口實驗材料。有（yǒu）關3D 打印用粉末材料（liào）的研究少，對粉末成份、物理性能對3D 打印技術（shù）的（de）影響及適應性（xìng）的研究還沒有廣泛開展，也限製了3D 打印技術的（de）產業化應用。此外，國外對部分3D 打印材料采取搭售（shòu）策略，如在（zài）銷售3D 打印設備時搭售價（jià）格較高的金屬粉末材料，限製了我國（guó）3D 打印材（cái）料生產企業的發展，致使（shǐ）對（duì）外依（yī）賴性較高。 

 

三、我國發展3D 打印材料的（de）對策建議 

　　材料是3D 打（dǎ）印發展的（de）基礎， 3D 打印技術和裝備的成熟也會促進材料性能的（de）開發和完善，拓展材料品種和應用。目前，我國部分3D 打印技術和裝備已經處於世界先進水平（píng），但在材料研（yán）發和應用方麵與先進國（guó）家相比還存在較大差（chà）距，因此打破材料（liào）對（duì）3D 打印發展的（de）製約非常關鍵。 

 

1.加強3D 打印材料標準和政策的研究製定

　　一是（shì）加強材料—結（jié）構（gòu）—屬性之間的關係研究，提高3D 打印材料（liào）性能以滿足生產需要；利用研究機構、材料生產企業等多方力量，鼓勵他們提供（gòng）有關3D 打印材料性能的相關數據，加強3D 打印材料標準戰略（luè）和預先研究，加快3D 打印材料規範性標準的製定和修訂，同步開展3D 打印產業上下遊各環節（jiē）、各類產品標準的（de）製定，最（zuì）終形成3D 打印產業領域標準全麵覆蓋（gài）的局麵。二（èr）是建立並完善3D 打印（yìn）材料技（jì）術標準體係，提升標準技術水平，完善標準複審製（zhì）度，實現3D 打印材料行業標準（zhǔn）複審的製度化和常態化；開發3D 打印材料質量測試程序和方法，建立行業統一的質量標準體係，保證材料的穩定性和可靠性（xìng）。三是加強（qiáng）3D 打印材（cái）料相關政策的研究，適時（shí）出台推動3D 打印（yìn）材料發展的產業、財政、金融政策，為3D 打印材料發展創造良好的政策環境。

 

2.加大3D 打印（yìn）材料研發和人才培養力度

　　一是加大（dà）3D 打印（yìn）材料的研發投入，借助3D 打印市場規模擴大趨勢，發揮企業市場主（zhǔ）體的作用，提高企業研發積極性。要鼓勵傳統材料生（shēng）產企業參與3D 打（dǎ）印材料的研發和生產，逐步增加研發投入，擴大生產規模。二（èr）是發（fā）揮科研機構、高校（xiào）的科研優勢，加強與企業的交流合作，通過產學研合作，推動3D 打印（yìn）材料科研成果的產業化應用。三是加（jiā）強3D 打印材（cái）料人才的培養，一方麵，從3D 打印材料研發實力雄厚和市場應用較廣的美國、日本等國（guó）家引入高端複合型人才，提高國內3D 打印材料研發應用的整（zhěng）體水平；另一方麵，通過自主培養方（fāng）式，加強對科研院所、高校、企業專業型人才的（de）培（péi）養與（yǔ）培（péi）訓，鼓勵材料研發人員之（zhī）間加強（qiáng）交流，利用幹中學機會，加強產（chǎn）學研合作，提升我國3D 材料研（yán）發（fā）和應用水平。

 

3.推動3D 打印產業（yè）上下遊領域多（duō）方位合作 

　　鑒於3D 打印（yìn）材料（liào）對生產設備和（hé）產品的高度依賴性和專用性，要通過加強上遊材料、3D 打印（yìn）機（jī）設備，以及下遊產品等各個環節的交流合作，推（tuī）動3D 打印逐步在某些領域實現規（guī）模化生產，進而帶動（dòng）材（cái）料的規（guī）模化生產，降低（dī）材料成本。一是（shì）鼓勵3D 打印材料企業加強與3D 打印設備生產商、下遊產品生產商的（de）交流合作，以下遊需求為導向，研（yán）發生產有市場前景的3D 打印材料，二（èr）是鼓勵有優（yōu）勢的材（cái）料（liào）生產企業向下遊拓展產業鏈，加強3D 打印設備或（huò）3D 打印（yìn）製品的研發與生產，積極搶占發展先機。通過上下（xià）遊合作，逐步形成材料—製造—裝備—應用協同發展（zhǎn）的全產業鏈發展模式，壯大3D 打印材料規模，逐步降低3D 打印（yìn）材料成本（běn），帶動3D 打印產業的整體發展。

 

4.提高我國3D 打印材料的供給保障能力

　　一是加（jiā）大“走（zǒu）出去”力度，積極到國（guó）外開拓3D 打印材料供給渠（qú）道，通過與美國、歐洲、日本等3D 打印材料（liào）發展較成熟的國家和地區（qū）交流合作，建立長期穩定的原材料供給機製，確保我國3D 打印材料的供給穩定。二是發揮政府的引導（dǎo）調控功能，通過給予稅收、金融等優惠政策，吸引（yǐn）更多的企業參與3D 打印材料的生產，扶植國內3D 打印（yìn）材料企業的成長和壯大，逐步降低對關鍵材料的進口依賴，提高國內3D 打印材料的自給率（lǜ）。

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一、3D打印簡介

 

3D打印技術從狹義上來說主要是指增材成型技術（shù），是快速成型技術的一種綜合了數字建模技術、機電控製技術（shù）、信（xìn）息技術、材料科學與化學等諸多領域的前（qián）沿技（jì）術被譽為“第三次工業革命”的核心技術。從成型工藝（yì）上看3D打印突破了傳統成（chéng）型方法，無需先行製（zhì）作模具和機械加工，通（tōng）過快速自動成型硬件係統與CAD軟件模型結合就能夠製造出各種形狀複雜的產品，這（zhè）使得產品的設計生產周期大大（dà）縮短，生產（chǎn）成本大幅下降。

 

3D打印目前的研究熱（rè）點主要集中在材料和設備，其中設備分為硬件、軟件部分：

 

材料：包括樹脂、金屬、陶瓷、塑料或天（tiān）然材料（liào）等，通過3D打印技術，這些材料最終將變成實在的功能產品。

 

設備：硬（yìng）件（jiàn）係統將材料按（àn）照軟件（設計數據和製作數據）的要求（qiú）實現產品成型。

 

下麵將逐一分別介（jiè）紹（shào）：

 

二（èr）、3D打（dǎ）印（yìn）常用材料

 

材料是3D打（dǎ）印的物質基礎，也是當前製約3D打印發展的瓶頸。3D打印所用的（de）這些原材料都是專門針對3D打印設備（bèi）和工藝而研發的，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。通常，根據打印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材（cái）料的（de）粒徑為1～100μｍ不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。

 

目（mù）前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹（shù）脂（zhī）、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物（wù）原料（liào）以及砂糖等（děng）食（shí）品（pǐn）材（cái）料也在3D打印領域得到（dào）了應用。

 

工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，是強度、耐衝擊性、耐熱性、硬度及抗（kàng）老（lǎo）化（huà）性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類（lèi）3D打（dǎ）印材料，常見的有ABS類材（cái）料、PC類（lèi）材料、尼龍類材料（liào）等。ABS材料是fused deposition modeling（FDM，熔融（róng）沉積（jī）造型）快速成型（xíng）工藝常用的熱塑性（xìng）工程塑料，具有強度（dù）高（gāo）、韌性好、耐衝擊等優點。

 

光敏樹（shù）脂即UV樹脂，由聚合（hé）物單體與預聚體組成，其中加（jiā）有光（紫外光）引發劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250０～300ｎｍ）照射下（xià）能立刻引起聚（jù）合反應完成固化。光敏樹脂一般為液態，可（kě）用於製作高強度、耐高溫、防水材料。目前，研究（jiū）光（guāng）敏材料（liào）3D打印技術的主要有美國3Dsystem公司和以（yǐ）色列object公司。常見的（de）光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材（cái）料、somos19120材（cái）料和環氧樹脂。

 

橡膠類材料具備多種級別彈性（xìng）材料的特征，這些材料（liào）所具備的硬（yìng）度、斷裂伸長率、抗撕裂強度和拉伸強（qiáng）度，使其非常適合（hé）於（yú）要求防滑或柔軟表（biǎo）麵的應用領域。3D打印的橡膠類產品主要有消費類電（diàn）子產品、醫療設備以及汽（qì）車內飾、輪胎、墊（diàn）片等。

 

金屬材料：在國防領域，歐美發達國家非常重視3D打印技術的發展，不惜投入巨資加以研究，而3D打（dǎ）印金屬零部件一直是研究（jiū）和應用的重點。3D打（dǎ）印所使用的金屬粉末一般要求純淨（jìng）度高、球形度好、粒（lì）徑分（fèn）布窄、氧含量低。目前，應用於3D打印的金屬粉末材（cái）料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼和鋁合金材（cái）料等。

 

陶瓷材料具有高強度、高硬（yìng）度（dù）、耐高溫、低密度、化學穩定性好（hǎo）、耐腐蝕（shí）等優異特性，在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由（yóu）於陶瓷材料硬而脆的特（tè）點使其成形尤其困難。

 

（1）3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑（jì）粉末所組成的混合物。陶瓷粉末（mò）和粘結劑粉末的配比會影響到陶瓷零部件的性（xìng）能。粘結劑份量越多（duō），固（gù）化比較容易，但在後置處（chù）理過程中零（líng）件收縮比較大，會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少，則不易固化成形。

 

（2）由於光敏樹脂的熔點較（jiào）低，液（yè）態樹脂具（jù）有高粘性（xìng）而導致流（liú）動性較差，在每層固化之後液（yè）麵很難在短（duǎn）時間內迅速撫平，這樣將會影響到（dào）實體的成（chéng）型精度。

 

（3）瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表麵張力（lì）大，在快速凝固過程中會產（chǎn）生較大的（de）熱應力（lì），從而（ér）形（xíng）成（chéng）較多微裂紋。

 

目前，國內陶瓷直接快（kuài）速成形工藝尚未成熟，正處（chù）於研（yán）究階段。

 

三、3D打印設備技術（shù）

 

３Ｄ打印通常是采用（yòng）數字技術材料打印機來實現（xiàn）的。

 

1）信息技術先進的設（shè）計軟件及數字 化工具，輔助（zhù）設計人員製作出產品的三維數字（zì）模型，並根據模（mó）型自動分析出打印的工序，自動控製打印器材的走向。

 

２）精密機械，３Ｄ打印技術以“每層（céng）的疊（dié）加”為（wéi）加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設（shè）備的精準（zhǔn）程（chéng）度、穩定性有較高的要求。

 

根據成型原理的差異我們主要介紹一下幾種常用的3D打印技術（shù）：

 

1、分層實體成型工藝（LOM），這是曆（lì）史最為悠久的3D打印成型技術。LOM技術成型多使用紙（zhǐ）材、PVC薄膜等材料，價格低廉且成型精（jīng）度高。如圖所示（shì）為LOM技術的基本（běn）原理

 

 

（1）分層實體成型（xíng）係統（tǒng）主要包括計算機、數控係統、原材料存儲與運送部件、熱粘壓部（bù）件、激光切係統（tǒng）、可（kě）升（shēng）降（jiàng）工作台等部分組（zǔ）成（chéng）。

 

（2）其中計算機負責接收和存儲成型工件的三維模型數據，這些數據主要（yào）是沿模型（xíng）高度方（fāng）向提取的一係列截麵輪廓。原（yuán）材料存儲與（yǔ）運送部件將把存儲在其中（zhōng）的原材料（底麵塗有粘合劑的薄膜材料）逐步送至工作台上方。

 

（3）激光切割器將沿著工件截麵輪廓線（xiàn）對薄膜進行切割，可升降的工作台能（néng）支撐成（chéng）型的（de）工件，並在每層成（chéng）型之後降低一個材料（liào）厚度以便送進將要進（jìn）行粘合和切割的新一（yī）層材料，最後熱粘壓（yā）部件將會一層一層地把成型區域的薄膜粘合在一起，就這樣重複（fù）上述的步（bù）驟直到工件完全成型。

 

2、立體光固化成型工藝（SLA），是目前世界上（shàng）研究最為深入、技術最為成熟、應用（yòng）最為（wéi）廣泛的一種3D打印（yìn）技術。SLA工藝以光敏樹脂作（zuò）為材料，在係統控製（zhì）下紫外（wài）激光將對液（yè）態（tài）的光敏樹脂進行掃描（miáo）從而讓其逐層凝固（gù）成（chéng）型，SLA工藝能以簡（jiǎn）潔且全自動的方式製造出精（jīng）度（dù）極（jí）高的幾何立體模型。如圖所示為（wéi）SLA技術的基（jī）本原理：

 

（1）液槽（cáo）中會先盛滿液（yè）態的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件（jiàn）的分層截麵數據在液態的光（guāng）敏樹脂表麵進行逐行逐點掃描，這使掃描區（qū）域的樹脂薄層產生聚合（hé）反（fǎn）應而固化從形成工件的一個薄層。

 

（2）當一層樹脂固化完畢後，工作台將下移一個層厚的距離以使在原先固化好（hǎo）的樹脂表麵上再覆蓋一層新的液態樹脂，刮（guā）板將粘度（dù）較大的樹脂（zhī）液麵刮平（píng）然後再進行下一層的激光掃描固化。因（yīn）為液態樹脂具有高粘性而導致流動性較差（chà），在每層固化之後液麵很難在短（duǎn）時間內迅速撫平，這樣（yàng）將會影響到實體的成型精度。采用刮板刮平後所需要的液（yè）態樹脂將會（huì）均勻地塗在上一疊層上，這樣經（jīng）過激光固化（huà）後將可（kě）以得到較好的精（jīng）度，也能（néng）使成型工件的表麵更加光滑平整。

 

（3）新固（gù）化的一層將牢固地粘合在前一層上，如（rú）此重複（fù）直至整個工件層疊完畢，這樣最後就能得到一個（gè）完整的立（lì）體模型。

 

3、選擇性激光燒結工藝（yì）（SLS）：SLS工藝使用的是粉末狀材料，激光器在計算機的操控下對粉末進行掃描（miáo）照射（shè）而實現材料的（de）燒結粘合，就這樣材料層層堆積實現成型，如（rú）圖所示為SLS的成（chéng）型原理：

 

（1）先采用壓輥將一層粉末平鋪到已成型工件的上表麵，數控係統操控激光束按照該層截麵（miàn）輪廓在粉層上進行掃描照射而使（shǐ）粉末的溫度（dù）升至熔化點，從而進行燒結並於下麵已成型的部分（fèn）實現粘合。

 

（2）當一層截麵燒結完後工作台將下降一個層厚，這時壓輥又會均勻地（dì）在上麵鋪上一層粉末並開始新一層截麵的燒結，如此反複（fù）操作直接工件完全（quán）成型。

 

（3）在成型的過程中，未經燒結的粉末對模（mó）型的空（kōng）腔和懸臂起著支撐的作用，因此SLS成（chéng）型的工件不需要像SLA成型（xíng）的工件那樣需要支撐（chēng）結構。SLS工藝使用的材料與SLA相比相對豐富些，主要（yào）有（yǒu）石蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成（chéng）尼龍、陶瓷甚至還可以是金屬。

 

（4）當工件（jiàn）完（wán）全成型並完全冷卻後，工作台將上升至原（yuán）來的（de）高度，此時需要把工件（jiàn）取出（chū）使用刷子或（huò）壓縮空（kōng）氣把模型表層的粉末（mò）去掉（diào）。

 

4、熔融（róng）沉積成型工藝（FDM）將絲狀（zhuàng）的熱熔性材料進行加熱（rè）融化，通過帶有微細噴嘴的擠出機把材料擠出來，熔融的絲材（cái）被（bèi）擠（jǐ）出後隨即會和前一層材（cái）料粘合在一起（qǐ）。一層材料（liào）沉積（jī）後工作台將按預定的增量下（xià）降一個厚度，然後重複以上的（de）步驟直到工（gōng）件完全成型。FDM的詳細技術原理：

 

（1）熱熔性絲材（通常為ABS或PLA材料）先被纏繞在供料輥上，由（yóu）步進電機驅動輥子旋轉，絲材在主動輥與（yǔ）從動輥的摩擦（cā）力作用下向擠出機噴頭送出（chū）。在供料（liào）輥（gǔn）和噴頭之（zhī）間有一導向套，導向套采用低摩擦力（lì）材（cái）料製成以便（biàn）絲材能夠順利（lì）準確地由供料輥送到噴頭的內腔。

 

（2）噴頭的上方有（yǒu）電（diàn）阻絲（sī）式加（jiā）熱器（qì），在（zài）加熱器的作用下絲材被加熱到熔融狀態，然後通（tōng）過擠（jǐ）出機把材料擠壓到工作台上，材料冷卻後便形（xíng）形成（chéng）了工件的（de）截麵輪（lún）廓。

 

5、三維印刷工藝（3DP），工作原理類似於噴（pēn）墨打印（yìn）機（jī），與（yǔ）SLS工藝也（yě）有著類似的地方，采用的都是粉末狀的材料，如陶瓷、金屬、塑料，但與其不同的是3DP使用的粉末並不是通過激光燒結（jié）粘合在一起的（de），而是通過噴頭噴（pēn）射粘合劑將工件的截麵“打印”出來並一層層堆積（jī）成（chéng）型的，如圖所示為3DP的技術原理：

 

首（shǒu）先設備會把工作（zuò）槽中的粉末鋪平，接著噴頭會按照指定的路徑將液態粘合劑（如矽膠（jiāo））噴射在預先粉層上的指定區域中，此後不斷重複上述（shù）步驟直到工件完全成型後除去模型上多（duō）餘的粉末材料即可。3DP技術成型速度非常快，適用於製造結構（gòu）複雜的工件，也適用於製作複合材料或非均勻材質（zhì）材料的零件。

 

6、PolyJet技術也是（shì）當前（qián）最為先進的3D打（dǎ）印技術（shù）之一，與3DP有點類似，不過噴射的（de）不是粘合劑而是（shì）聚合成型材料，如圖所示為PolyJet聚合物噴射係統的（de）結構：

 

（1）PolyJet的噴射打印頭沿X軸（zhóu）方向來回運動，工作（zuò）原（yuán）理與噴墨打印機十分類似，不同的（de）是噴頭噴射的不是墨水而是光敏聚合（hé）物（wù）。當光敏聚合材（cái）料被噴（pēn）射到工作台上後，UV紫（zǐ）外光（guāng）燈將沿著噴頭工作的方（fāng）向發射（shè）出UV紫外光對光敏聚合材料進行固化。

 

（2）完成（chéng）一層的噴（pēn）射打印和（hé）固化後，設備內置的工作台會極其精準（zhǔn）地下降一（yī）個成（chéng）型層厚（hòu），噴頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的（de）打印和固（gù）化。就（jiù）這樣一（yī）層接一層，直到整個工件打印製作完成。

 

四、3D打印優勢與缺陷

 

1、 優勢：

 

如前所述，與傳統製造技術相比，3D打印不必事先製造模具（jù），不必在（zài）製造過程中去除大量的材料，也不必通過複雜的鍛造工藝就可（kě）以得到最終產品，因此，在生產上可以實現結構（gòu）優化（huà）、節（jiē）約材料和（hé）節省能源。3D打印技術適合於新產品開發、快速單件（jiàn）及小批（pī）量零件製造（zào）、複雜形狀零件的製造、模具的設計與製（zhì）造等，也適（shì）合於難（nán）加工材料的製造、外形設計檢查、裝配檢（jiǎn）驗和快速反求工程（chéng）等。

 

另外在材料合成上，與傳統相比，3D打（dǎ）印將獲得更高的靈活性和有效性。這是未（wèi）來3D打印發展的新領域。

 

傳統：

 

3D打（dǎ）印：

 

3D打（dǎ）印的共同目標是實現（xiàn）從（cóng）一台機器中打印出各種複合材料，一次性為項目實現（xiàn）多（duō）重製造屬性。然而，細觀結構材料技（jì）術允許我們（men）獲得更多單一材料之外的利用價（jià）值。相比（bǐ）較於對不同的性能便（biàn）要依賴（lài）不（bú）一樣的材料，設計師可以利用細觀結構材料技術來創造一種擁有各（gè）種所需（xū）的性能特點的物（wù）體。

 

2、缺陷

 

（1）3D產品難以批量複製。3D在（zài）個（gè）性化乃（nǎi）至小規模生產（chǎn）中獨具特色（sè），但是在批（pī）量生產（chǎn）方麵無法實現。

 

（2）製作過程相對複雜，尤（yóu）其是對於複雜結構的產品，需要各種結（jié）構信息（xī）的采集，打（dǎ）印設備的矯正。

 

（3）材料的突破。3D打（dǎ）印可以應用（yòng）到很多場景，但是材料和打印工藝、技術與傳統製造工藝相比沒有優勢，這些需要產業界更好的協作推進。

 

（4）成本較高，不可複製性也是成本提升的重要原因之一（yī）。技術標準、政策體係不夠完善，教育（yù）和培訓製度急需加強，專業人才比較缺乏。

 

（5）實用性不強，對於一些產品往（wǎng）往隻能打印外殼或（huò）者樣機，無法像原型樣機那（nà）樣（yàng）具有產品的全部功能。

 

作為快速成型機，3D是用（yòng）於完成各類製造工程中等級（jí）最低的共通部分。這導致的結果是，這些機器（qì）可以（yǐ）做很多事，但做（zuò）得好的卻（què）極少。這不是因為材料特殊或控製太先進複雜而造成的困境。而真正製約3D打印技術創新（xīn）的是我們看（kàn）待這些（xiē）技術的（de）方式：隻把它看作單一的部件製造，而缺（quē）乏係（xì）統性。

 

五、市場分析

 

美國消費者技術協會(CTA)與聯合包（bāo）裹（guǒ）服務(UPS)近日聯（lián）合發布名為《3D打印：工業生產下（xià）一場革命》的報告，預測（cè）未來（lái）4年這（zhè）個市場營收將增長2倍達到210億（yì）美元。去年，3D打印市（shì）場價值增長了30%。

 

3D打印行（háng）業今年市場價值將（jiāng）達（dá）到73億美元，包括打印機器、材料以及打印服務（wù）等。到2020年，這（zhè）個（gè）行業的價值有望（wàng）達到210億美元。其中，消（xiāo）費電子與汽車行業（yè）將推動3D打印行業增長40%，醫療設備則推動其增長15%。舉例來說，全球98%的助聽器正使（shǐ）用3D打印技術製造。

 

報告中稱，目前2/3的製（zhì）造商已經在某種程度上使用3D打印技（jì）術，25%的製造商計劃將來采用這種技術。企業（yè）采用（yòng）3D打（dǎ）印（yìn）技術的最大（dà）原因包括：製作原型(占比25%)、產品開發(占比（bǐ）16%)以及（jí）創新(占比11%)。

 

早期采用3D打印技術的企業主要利用其製（zhì）作產品原（yuán）型（xíng）。事實上（shàng），3D打印僅占全球製造業市場的0.04%，而且製作原（yuán）型是最（zuì）常見使用（yòng）方式。研（yán）究公司Wohlers Associates認為，3D打印技術最終將占全球製造業市場的5%，即（jí）其代表6400億美元的巨大（dà）機遇。

 

六、展望

 

從應用的角度看，過去十年裏，涉及到3D打印的專利申（shēn）請數量已飆升超（chāo）過800％，而專利授權數量也大幅上升。目前3D打印僅占全球製造業市（shì）場的0.04%，與十萬億（yì）美元級別的製造（zào）市場相比，差距明顯。

 

不過，與高效率的大規模標準化生產相比（bǐ），3D打印有其本身的優勢，它可以實現（xiàn）定製化甚至（zhì）以相同的成本來生產個性化的（de）產品，帶給消費者更多的個人價值（不會（huì）因為產品規模化而價格下降）。在定製（zhì）化、個性化以及形狀複雜化領域包括大規模生（shēng）產沒有利潤空間的（de）產品領域，3D打印可以大顯身手。未來，3D打印可以在時裝、航空航天、醫藥（yào）衛生、食品等（děng）定製化需（xū）求強盛的領域創（chuàng）造強大的產品類（lèi）目。

 

從長遠角度（dù）看，3D打印將為我們帶來分散式的生產工具，分散式的社會化大協作將再次（cì）成為主題，未來（lái）展現在我們麵前的是（shì）個性化與社會（huì）化（huà）創造的時代。3D打印將創建一個全新的（de）功能強（qiáng）大的產品類別，以消除對複雜的供應鏈和過度浪費的依（yī）賴，同時分散生產，財富和知識的（de）潛力。3D打印可（kě）以幫助建（jiàn）立一個以生產和消費緊密結合為特征的分散的，自力更生的經（jīng）濟體。