3D打印技术涵盖了熔融沉积式(FDM)、电子束自由成形制造(EBF)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化成型(EBM)、选择性激光熔化成型(SLM)、选择性热烧结(SHS)等多样化技术。
日常使用的普通打印机通过喷墨方式打印平面物品,而3D打印机则采用类似原理,但打印材料更为多样。普通打印机使用的是墨水和纸张,而3D打印机则内置金属、陶瓷、塑料、砂等各种“打印材料”。当3D打印机与电脑连接后,通过电脑控制,这些“打印材料”会一层层叠加,将计算机上的设计蓝图转变为实物。
通俗地说,3D打印机可以“打印”出真实的3D物体,例如机器人、玩具车、各种模型,甚至是食物等。虽然其被称为“打印机”,但实际上它是参照了普通打印机的技术原理,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术被称为3D立体打印技术。
在3D打印领域,存在着许多不同的技术,这些技术的区别在于以何种方式使用可用的材料,并以不同层构建创建部件。常用的3D打印材料包括尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等。
尽管高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或陶瓷的打印,但所使用的材料仍然比较昂贵和稀缺。目前的打印机技术尚未达到成熟水平,无法支持日常生活中所遇到的各种材料。研究者在多材料打印方面已经取得了一定进展,但这些进展需要成熟并有效才能解决3D打印的材料问题。
在重建物体的几何形状和机能方面,3D打印技术已经达到了一定水平,几乎可以打印任何静态的形状。对于运动的物体和清晰度方面,仍存在挑战。这个问题对于制造商来说或许可以解决,但要使3D打印技术进入普通家庭,让每个人都能随意打印想要的东西,还需要解决机器的限制。
我国自20世纪90年代起就开始研发3D打印技术。目前,包括清华大学、北京航空航天大学等在内的研究机构与企业已在3D打印设备和材料领域取得一定成果。中国3D打印技术产业联盟、中国3D打印技术产业创新中心等机构也相继成立。国家也提供了研究基金来支持3D打印核心技术的发展。《国家增材制造产业发展推进计划(2015~2016年)》的发布也标志着我国对3D打印产业发展的重视。
普通人可能对金属植入体置换的话题了解不多,毕竟这类情况在日常生活中较为罕见。与之相关的间接领域,如科技和制造业,却是值得关注的话题。
我们来看看军工行业和医疗行业中的一些应用。例如,军工项目中使用的J-20和C919等大型项目,都采用了3D打印一体成型技术。这些应用在之前的媒体报道中已经广为人知,大家可以自行搜索了解。成本是制约新工艺推广普及时不可忽视的因素。金属3D打印在国内的工艺已经比较成熟,但其普及难点主要在于价格问题。在制造业中,模具是最常用的应用之一,虽然3D打印能够提高生产效率,但由于成本较高,通常只用于制作内置模块或镶件。除了成本,还有使用寿命等方面的限制,但这些可以通过后期处理如热压等工艺加以改善。
接下来是3D打印蜡模的应用。这种技术主要用于制作母模,实现翻模铸造。它分为两类:一类是使用SLA和DLP固化液态光敏树脂制作母模,另一类是使用喷蜡方式制作蜡制母模。虽然两者材料不同,但最终目的都是通过翻模制造出熔模铸造的模具。熔模铸造中,用蜡制作的蜡模表面粗糙度好、精度高,因此常用于精密铸造。
还有3D打印砂模的应用。砂铸主要是用粘结砂制作砂模,传统制作过程繁琐。而3D打印的砂模通过喷胶水的方式将砂子层层粘结固化成型,省去了传统工艺中的繁琐操作,设计自由度极高。这一技术主要应用在各种行业,如航空航天、汽车、重工、泵阀等。虽然铸造行业被称为夕阳产业,但它仍是制造业的基础之一。在中国,铸造业规模庞大,但还不是铸造强国,因此需求特别旺盛。新产品研发周期缩短、时间敏感度提高,使得这方面的技术普及越来越快。一些主机厂的发动机部件已经采用这种方式来快速制造样品并进行功能性验证。
从个人的行业了解来看,工业级3D打印市场中,间接成型技术比起直接金属成型的3D打印技术在成本和效率上有显著优势。针对尺寸精度要求不高的行业特点,这被认为是3D打印技术目前最贴近工业化普及的应用之一。未来如果有新的想法和补充,会再与大家分享。