全面解读：3D印刷过程与材料

　　 3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。 3D打印机相对于其他的添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。 3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技 术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层 加工的过程与 喷墨打印十分相似。 3D打印技术在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天、牙科及医疗方面都能得到广泛的应用。

 

　　 打印步骤

 

　　每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊 胶水， 胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。打印耗材由传统的 墨水、纸张转变为胶水、粉末，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

 

　　 技术水平

 

　　目前的3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷打印原理的限 制，打印速度势必不会很快，目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。由于打印精度高，打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。

 

　　如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料，还有弹性伸缩、高性能复合、 熔模铸造等其它材料可供选择。不过，虽然3D打印机价格在不断降低，很多厂商、设计院、大学等都开始或准备配备，但产品价格依然较高。3DSystems 推出的新款InVisionLD入门级桌面型产品价格为1.59万美元，而ZCorporation出品的中端型号Z510要价10万美元。好在3D打印 机的耗材成本并不夸张，例如打印手机模型，大概花费20美元材料费，比起其它成型技术成本要低得多。

 

　　 印刷材料

 

　　3D打印所用到的 印刷油墨类型极广，甚至可利用3D打印机打印出一个和自己笑脸一模一样的巧克力：首先，通过3D建模软件，如123D或者Photofly，将iPhone或普通卡片机中的照片转换成3D图像数据，上传到电脑后，就拥有了自己的三维设计图。“ 油墨”则是液态巧克力，把巧克力融化后，装进打印机中的储存器，按下“打印”键，打印机就会根据图像数据把液态巧克力一层层堆叠成你的笑脸形状。每层巧克力打印出来后，必须经过凝固才开始下一层打印，加装保温和冷却系统即可保证巧克力的粘稠度和温度。

 

　　在原材料领域，XeroxPARC公司还正在研发传感器、晶体管等电子产品的打印材料，一旦成功，将意味着消费者可以自行设计打印手机或者MP3等。应用软件领域，工程师和程序员不时共享代码和设计，越来越多免费开源软件的出现，降低了3D打印的设计成本，如123D、OpenSCAD、Tinkercard等。

 

　　 3D印刷优势

 

　　相比传统制造工艺，3D打印技术有两个优点，一是节省原材料和人工。由于采用“添加制造技术”，它的用料只有原来的1/3到1/2，打印速度却 快4倍。同时因省却生产线和一部分组装过程，可降低人工成本。第二个优点是可以制作形态各异的物品。理论上，只要电脑可以设计出的造型，3D打印机都可以 打印出来，2011年在加拿大展出的3D打印汽车Urbee，即以其时尚前卫的流线型外观吸引了众多关注。

 

　　3D打印技术的局限主要体现在材料上，目前打印材料主要是塑料、树脂和金属，骨骼等有机原料的研究也正在进行并有了初步成果。受材料限制，3D 打印最初的应用局限在建模和工业设计领域。但如今，3D打印技术逐渐开始被用于生产环节。它适用于小批量加工，由于不需要模具，对产品的修改不会增加额外 成本，只需修改设计图即可。这也意味着，小批量个性化定制的成本被降低。未来，定制个性化的家具、食品、工艺品等商品将变得更加划算。

 

　　三年前尚处于技术前沿的3D打印如今已成制造业中的新兴战略领域。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级 3D打印添加剂工业研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印，以确保美国制造业不继续转移到中国和印度。长期跟踪3D打印行业的咨询公司 Wohlers Associates表示，2011年，3D打印机的市场规模为17亿美元左右，到2015年该市场将达37亿美元。