学习提要
理解3D打印的概念及原理。
了解3D打印的分类及优缺点。
学习内容
一、3D打印的概念及原理
3D打印技术，又称为增材制造或者快速成型技术，是一种集机械、电子、软件、材料等多个学科知识为一体的制造技术。
增材制造，顾名思义，就是增加材料，以从无到有的方式完成制造。大到建筑行业的混凝土浇筑，小到蛋糕行业的奶油裱花工艺，都可以看作是增材制造。
美国材料与试验协会增材制造技术委员会（ASTM F42）对增材制造的定义：一种与减材制造相反，根据三维数据把材料集中于一体的生产过程。按照这一定义，增材制造必须由数据驱动。
3D打印和传统打印类似，都是由数据驱动硬件完成打印，但两者在打印材料和原理上存在极大的差异。3D打印材料分为金属和非金属两大类，材料形态包括液态、固态（粉末）等，每一类材料都对应一种或多种打印原理。
3D打印流程一般包括数据获取、数据处理、打印和后处理4个步骤，如图1-1所示。前两个步骤主要涉及三维图像软件和光学成像技术，第三个步骤涉及材料、机械和电子方面的技术，第四个步骤涉及机械加工和材料方面的技术。4个步骤相辅相成，任何一个环节存在问题都会影响打印的最终效果。
图1-1 3D打印流程
由于3D打印所涉及的技术和领域广泛，行业内的关注点普遍集中在打印步骤，3D打印的核心技术也围绕着这一内容发展。图1-2到图1-8所示为3D打印的过程和成品。
图1-2 蜂窝球打印过程图
图1-3 荷花笔筒打印过程图
图1-4 发动机缸盖打印过程图
图1-5 3D打印出的鸟巢模型
图1-6 金属打印过程图
图1-7 3D打印的通管管路模型
图1-8 3D打印的叶轮模型
减材制造是在原材料的基础上，借助工装模具使用切削、磨削、腐蚀、熔融等办法去除多余部分得到最终零件，然后用装配拼接、焊接等方法组成最终产品。3D打印无须毛坯和工装模具，就能直接根据计算机建模数据对材料进行层层叠加生成任何形状的物件，传统打印与3D打印的对比见表1-1。
表1-1 传统打印与3D打印对比
二、3D打印的分类
1.按照打印原理分类
美国材料与试验协会增材制造技术委员会发布的《增材制造技术标准术语》中把打印原理分为7类，包括材料挤出、材料喷射、黏合物喷射、薄片层叠、光固化、粉末床融合以及定向能量沉积。目前主流的3D打印技术都可以按打印原理分类，见表1-2。
表1-2 按3D打印原理分类
2.按照打印工艺分类
3D打印技术按照打印工艺可以大致分为铺粉工艺、送粉工艺两类。
（1）铺粉工艺(www.xing528.com)
铺粉工艺的基本流程如图1-9所示，可以大致分为5个阶段。
图1-9 铺粉工艺流程图
①数据导入阶段：设计者将设计意图转换成3D数字模型，然后借助三维建模软件（UG、Solidworks、Inventor等）将模型转化为STL格式文件，即可被3D打印系统识别。
②前处理：主要是指对图形文件的处理，包括检查图纸的完整性及是否存在无法加工的细节，确定零件的摆放位置，创建支撑，形成一个完整的机器可识别的加工文件（也称为打包）。
③设备准备：需要对机器进行清理，将缸体移出并填充粉末，然后再将缸体装入设备。
④设备打印：启动设备，导入加工文件，规划扫描路径后开始烧结。
⑤后处理：处理较多的是尼龙件和金属件。尼龙件后处理过程主要包括取件、喷砂、拼接、打磨、喷漆等。金属件后处理过程主要包括取出、热处理、线切割、去支撑、机加工、喷砂、抛光等。
（2）送粉工艺
送粉工艺的流程如图1-10所示，其典型代表是激光熔覆技术。该技术系统的核心部件是一个激光熔覆头（一般为同轴熔覆头），熔覆头上带有可输送粉末及保护气的喷嘴，计算机可以控制送粉器通过载气将粉末从喷嘴送出并聚焦于熔覆头下方的轴线上。在成型过程中，计算机调入一层图形扫描数据，根据扫描数据决定是否开启激光，开启激光时，激光器发出的激光从熔覆头顶部沿轴线方向向下射出，经聚焦镜汇聚在粉末聚焦点附近，将同步射出的粉末熔化；同时，熔覆头或工作台按每层图形的扫描轨迹移动，这样熔化的金属液就在基体或上一层凝固层的基础上完成了一层实体的成型；计算机继续调入下一层图形扫描数据，重复上述动作，如此逐层堆积，最终成型出一个具有完全冶金结合的金属零件。
图1-1 0 送粉工艺流程图
在实际工艺应用过程中，系统集成了激光3D打印和激光熔覆两套设备，共用一套激光器作为光源，通过光纤输出，连接到激光熔覆头，依托数控机床运动，送粉器同步送粉，实现激光3D打印和熔覆等功能，设备布局如图1-11所示。
图1-11 激光打印和熔覆系统
三、3D打印的优缺点
1.3D打印技术的优点
（1）设计更加自由，不受传统加工工艺限制
传统机械加工工艺往往不能满足复杂零件制造的最优化设计要求，或者满足但是制造成本高、生产周期长，而3D打印技术可以弥补以上缺陷。3D打印可以设计并形成任意几何形状的复杂零件，不受传统机械加工工艺的限制。
（2）设计方案的实现更加方便快捷
3D打印可以方便快捷地实现研发人员的新想法，快速完成顾客想要定制的零件。研发人员可以快速、直接和精确地将设计方案转化为计算机中的模型，实现方案模型的快速验证。
（3）功能一体化设计
传统的工业化生产主要依靠组装生产线，由生产线工人或自动化机器人完成组装。产品组件越多，组装耗费的时间和成本也就越多。3D打印通过分层制造的方式可以同时打印设备上的不同组件，缩短供应链，节省劳动力和运输成本，而供应链越短，污染也就越少。
（4）节约材料
3D打印过程很少或几乎没有材料浪费，所以可以节省材料，在一定程度上节约成本。对于复杂构件，3D打印技术甚至可以节约75%的材料。
2.3D打印技术的缺点
（1）可供使用的打印材料有限
3D打印材料的限制主要有两方面原因：一是，适用于3D打印的材料种类有限，无法满足工业生产中所需材料的多样性。3D打印技术只能应用于一些特定的场合，很难大规模推广。二是，3D打印机和材料的匹配性低，在实际生产过程中，一种打印机往往只能应用一种打印材料，通用性不如传统的机械加工设备好。
（2）批量生产效率低
批量生产效率低主要表现为两方面：一是，传统的机械制造是在毛坯的基础上加工而成，加工速度快，而3D打印技术采用增材制造的方式即采用材料堆叠、体积增大的方式进行生产，由于扫描速度和铺粉厚度有限，造成生产加工速度慢。二是，从运动成型原理考虑，传统的机械零件制造加工形式多样，包括铣、削、刨、磨等，去除材料速度快，而增材制造只有直线运动铺粉这种形式，铺粉速度慢，因此效率低。对批量生产而言，3D打印比传统的机械制造的效率低。
（3）3D打印成本高
一般来说，受机器成本、材料价格、人工成本、时间成本的影响，同一单件产品，3D打印产品的打印价格是传统机械加工产品价格的5~8倍。打印成本高昂造成3D打印应用范围受限，未能在生产过程中大规模应用，应用过程仅限于新产品研发，应用范围也仅限于航空航天等高附加值产业，其他产业应用不多。
想一想
1.你接触过3D打印吗？
2.在你的认识中，3D打印是什么样的？
3.3D打印还能做些什么？
4.生活中的哪些东西可以用3D打印机打印出来？
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
