3D打印技術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？它是如何運作的呢？前不久，世界首架3D打印的無人機試飛成功，時速達到241千米。對于一款民用無人機來說，這個速度非常驚人。美國無人機制造商極光飛行科學公司的航空研究工程師丹·坎貝爾(DanCampbell)表示，3D打印技術能讓設計師對特定的元件進行定制，以改進無人機性能，大大加快無人機的生產(chǎn)速度，并有效降低生產(chǎn)成本。

3D 打印進入無人機技術領域后，很快就給整個產(chǎn)業(yè)帶來了積極的影響

3D打印的基本原理

    對于3D打印，首先要搞清楚的就是：它的叫法其實是不準確的。確實，3D打印的程序本質上是2D(二維)打印，只不過需要在2D打印的基礎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。墨水是復雜的液體，由染料、溶劑和其他物質組成。墨水在不使用時保持濕潤狀態(tài)，一旦由打印機打印到紙上，與空氣接觸后，就會顯現(xiàn)出顏色并立即變干。墨水一點點地疊加，在紙上形成字母、文字以及圖片，變干后就會自動留在紙上，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 打印的墨水相當規(guī)范，而對于3D 打印來說，幾乎任何物質都可以充當墨水，比如尼龍、塑料、金屬、食材、生物組織，乃至紙張本身等。

        在3D 打印機執(zhí)行打印任務之前，首先要用電腦設計好要打印的東西，比如一只杯子。通常是使用三維建模軟件來構建需要打印的物體的3D 模型。這些建模軟件有簡單實用的，也有復雜專業(yè)的，但無論哪一種，都需要進行一定的培訓學習才能掌握。當然，如果僅僅是想打印一個和現(xiàn)有物體一模一樣的復制品，也可借助3D 掃描儀來快速建?！苯訏呙柽@個物體，比如一塊化石或者一個機器零件。有了電腦中的這些模型，用計算機輔助設計軟件將這些3D 模型切分成水平薄層，打印機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) 的木乃伊復制品已按實際尺寸打印出來了，羅丹的著名雕塑《思想者》(TheThinker )也是以同樣的程序對缺損處進行了修補。這兩件作品都是先由3D 掃描儀掃描建模，然后由計算機輔助設計軟件對這些3D 模型進行切分，最后用3D 打印機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雜，因為3D 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3D 打印技術。

●立體光固化成型法(SLA)

     3D 打印的首次嘗試始于20 世紀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 技術開始應用于商業(yè)，并沿用至今。3D 打印技術最初被用于打印樣機。在21 世紀初期，由于納米技術使接近原子水平的精度成為可能，SLA 技術得到了飛速的發(fā)展。

     SLA 技術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，用紫外線對光敏樹脂進行掃描，使光敏樹脂發(fā)生光聚合反應，形成固化的薄層。如此反復，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，工作臺微微浸沒在液態(tài)樹脂中，使樹脂在工作臺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)生光聚合反應而固化。一層固化完畢，工作臺下降數(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在前一層上，如此循環(huán)往復，層層固化，直至整個零件制造完畢。

在這里，紫外線按照設計的掃描路徑，以由點到線、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80 年代發(fā)明的一項3D 打印技術。FDM 技術的打印原理是：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 技術的成本較SLA 低，尤其適合打印塑料制品及某些有機材料產(chǎn)品。

熔融沉積成型法(FDM)打印工作原理

●選擇性激光燒結(SLS)

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

當一層截面燒結后，工作臺下降，這時滾動裝置又會在上面均勻地鋪上一層粉末，開始新一層的燒結。如此反復操作，直到整個產(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技術的理想材料。

選擇性激光燒結（SLS）打印工作原理

3D 打印的軟肋

     不管3D 打印技術如何顛覆制造業(yè)，它還是存在一定的問題。一是傳統(tǒng)的3D打印技術會使產(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顯得堅固而結實，其他結構還存在諸多薄弱點。若要打印抗拉力強的機械零件，情況就不妙了，因為打印出來的零件只在一個方向具備強抗拉能力，當方向轉變90°之后，其抗拉能力就會下降50%。二是打印時間長。極光飛行科學公司發(fā)現(xiàn)，雖然3D 打印無人機部件比在其他地方定制無人機部件快得多，但并不表示在幾分鐘之內就能完成打印—事實也遠非如此!即使一個簡單的物件，3D 打印也要花費數(shù)小時。事實上，想要在商業(yè)上大規(guī)模地使用3D 打印技術，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，而離設定的2020 年要達到210 億美元的目標還相距甚遠。要實現(xiàn)這一目標，控制打印時長很關鍵!

     德西蒙認為他已經(jīng)解決了上述兩個問題。他是一個高分子化學家、發(fā)明家和串行企業(yè)家，同時也是美國北卡羅來納大學教堂山分校(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(CLIP)。

柳暗花明—CLIP 3D打印技術

    從技術上來說，CLIP 其實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上方由下往上層層打印，而是置于工作臺下方。當工作臺上升并和液體槽慢慢拉開距離時，打印件就從上往下層層生長。直觀看來，像是工作臺從液體里面“拉”起了一個物件。

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

連續(xù)液體界面制造技術(CLIP)打印工作原理

CLIP 打印機正在從液體樹脂里“拉”起一個埃菲爾鐵塔模型

由于這種打印方法采用的是整層范圍的照射固化，因此，其各個方向的抗拉強度十分均衡，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 技術打印需要3.5 個小時，而用CLIP 技術只需要6.5 分鐘！

事實很好地證明了CLIP 技術正是3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的技術推動力。當3D 打印的SLS 技術在30 年前首次被使用時，互聯(lián)網(wǎng)還沒有出現(xiàn)，計算機的性能還不如現(xiàn)在的電子手表。德西蒙及其團隊的新思路預示著3D 打印的新時代將要來臨。現(xiàn)在，3D 打印已在全球范圍內應用，惠及學校、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3D 打印技術的追求就永遠不會停止！

來源：中國3d打印網(wǎng)

編輯：董強