作者：Richard Quinnell，特殊項(xiàng)目編輯，技術(shù)

幾年前，制造業(yè)務(wù)中的 3D 打印充滿希望，但仍未得到證實(shí)。從那以后，根據(jù)Gartner 炒作周期，它已經(jīng)下降到“幻滅的低谷”，在這種情況下，現(xiàn)實(shí)沒有達(dá)到預(yù)期。但在 4 月的漢諾威博覽會(huì)上，世界上最大的工業(yè)貿(mào)易展之一并沒有體現(xiàn)出這種幻滅感。在那里，3D打印大量展示，表明3D打印在現(xiàn)代工業(yè)運(yùn)營(yíng)中的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

3D 打印（即增材制造）的基本過程似乎很簡(jiǎn)單。在水平 (XY) 平面上移動(dòng)，打印機(jī)構(gòu)在構(gòu)建平臺(tái)上沉積一層薄薄的材料，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)物體的橫截面切片。然后，打印頭或基材在垂直 (Z) 方向上略微移動(dòng)，并重復(fù)該過程以將下一個(gè)切片的材料放置在先前沉積的材料上。當(dāng)該過程完成并移除支撐材料后，生成的切片堆棧就是所需的完整 3D 對(duì)象。

展會(huì)上展示了三種主要類型的印刷機(jī)制——擠壓、燒結(jié)和光刻——這三種類型中的每一種都有多家供應(yīng)商。惠普還展示了其混合噴射融合 3D 打印機(jī)。一些印刷材料供應(yīng)商也有存在。

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每種類型的打印機(jī)制都提供了制造對(duì)象的材料選擇以及獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。例如，擠出打印通常使用塑料細(xì)絲，打印頭在構(gòu)建物體時(shí)必須熔化才能擠出和沉積。另一種方法是使用噴墨頭將材料沉積在液滴中。無論哪種方式，如果對(duì)象的結(jié)構(gòu)具有激進(jìn)的懸垂或從 Z 軸某處開始且其下方?jīng)]有任何東西的特征，則該方法會(huì)產(chǎn)生問題。由于打印機(jī)無法將材料沉積在空氣中，甚至無法懸臂離底座太遠(yuǎn)，因此擠壓過程需要打印機(jī)在需要的地方創(chuàng)建支撐柱。這增加了對(duì)象的描述文件的復(fù)雜性，浪費(fèi)了材料，并且需要對(duì)對(duì)象進(jìn)行打印后清潔以移除支撐結(jié)構(gòu)。

不過，工業(yè) 3D 擠壓打印機(jī)正在以多種方式應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。一種是使用多頭打印機(jī)，其中一個(gè)頭打印目標(biāo)材料，另一個(gè)頭打印不同的支撐材料。該支撐材料可以配制為易于從物體的基材上脫離，或者可以是水溶性聚乙烯醇（PVA）之類的東西，可以使用溶劑去除。

燒結(jié) 3D 打印繞過了創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)的需要，因?yàn)檎谶M(jìn)行的工作總是有基礎(chǔ)材料的支持。這些打印機(jī)的工作原理是在構(gòu)建平臺(tái)上沉積一層粉末材料，然后選擇性地將粉末融合成固體以構(gòu)建切片。通常，該融合過程利用激光產(chǎn)生精確的加熱，在構(gòu)建區(qū)域上掃描光束，但也可以使用其他方法。例如，惠普使用所謂的噴射融合技術(shù)，利用其噴墨打印機(jī)技術(shù)將化學(xué)融合劑應(yīng)用到粉末層上。Envisiontec 的 Viridis3D 打印機(jī)使用沙子，使用粘合劑將顆粒融合在一起。

燒結(jié)印刷的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可用于構(gòu)建物體的材料范圍。與要求構(gòu)建材料具有打印頭可以處理的足夠低的熔點(diǎn)的擠壓不同，激光燒結(jié)可以使用具有非常高熔點(diǎn)的材料。例如，這允許使用諸如鎳、鋼或鈦之類的金屬以及各種類型的陶瓷。然而，燒結(jié)的一個(gè)缺點(diǎn)是增加了打印機(jī)的復(fù)雜性。打印機(jī)不僅必須能夠?yàn)槊總€(gè)新層鋪設(shè)薄而均勻的粉末層，而且必須能夠在構(gòu)建完成后有效地回收和重新使用未燒結(jié)的粉末。

第三個(gè)主要的 3D 打印工藝，立體光刻，也選擇性地硬化覆蓋構(gòu)建平臺(tái)的材料，但它使用液體代替粉末。當(dāng)兩束光束都聚焦在流體表面附近的同一點(diǎn)或體素（體積像素）上時(shí)，雙聚焦光源會(huì)觸發(fā)光硬化樹脂的固化。然后打印機(jī)稍微抬起構(gòu)建平臺(tái)，為下一個(gè)切片做好準(zhǔn)備。因此，構(gòu)建對(duì)象從液體中抽出，無需從構(gòu)建區(qū)域移除未使用的材料，以便為下一次打印運(yùn)行做好準(zhǔn)備。該方法的缺點(diǎn)是可用的光固化構(gòu)建材料的范圍有限。下表給出了所有三種工藝的代表性構(gòu)建材料的摘要。

用于 3D 打印技術(shù)的代表性構(gòu)建材料。

曾經(jīng)被認(rèn)為是一種新奇事物，甚至是一種玩具，3D 打印現(xiàn)在被認(rèn)為是創(chuàng)建原型和獨(dú)特或定制物品的可行方法。然而，對(duì)于更大規(guī)模的制造，3D 打印面臨一些限制。一是物體尺寸——要制造的物品必須適合設(shè)備的移動(dòng)限制所定義的體積。下表列出了代表性打印機(jī)的構(gòu)建體積。

具有代表性的工業(yè) 3D 打印機(jī)。

另外兩個(gè)限制是制造速度和精度，兩者都是相互關(guān)聯(lián)的。由于打印機(jī)是按層甚至單個(gè)體素制造的，因此物體精度和表面光滑度受到使用中的層厚度或體素大小的限制。同時(shí)，制造速度與那些相同的尺寸成反比。細(xì)節(jié)越精細(xì)，制造過程就越慢。

這些限制可能會(huì)限制 3D 打印在工業(yè)應(yīng)用中的適用性，其中高精度和大批量生產(chǎn)通常是最重要的。但工業(yè) 3D 打印的勢(shì)頭正在增長(zhǎng)，供應(yīng)商正在穩(wěn)步消除這些限制。許多工業(yè)打印機(jī)的層厚度已經(jīng)達(dá)到 20 微米，體素的 XY 位置精度為 12 微米，并且正在進(jìn)行改進(jìn)。

為了提高 3D 打印機(jī)的生產(chǎn)速度，展會(huì)上展示了幾種方法。例如，HP Fusion Jet 和 Viridis3D 打印機(jī)使用線性打印頭陣列在構(gòu)建表面上一次燒結(jié)材料。同樣，EOS M400-4 在其燒結(jié)過程中采用了四個(gè)激光器來提高產(chǎn)量。

構(gòu)建量限制也正在得到解決。Viridis3D 打印機(jī)和 IKV 演示單元使用機(jī)械臂來控制打印頭位置，而不是使用 XY 掃描機(jī)構(gòu)和單獨(dú)的 Z 軸平臺(tái)移動(dòng)。因此，機(jī)器人增材制造 (RAM) 方法無需在打印機(jī)外殼內(nèi)（并受其限制）進(jìn)行部件制造，而是可以在工作環(huán)境中所需的任何表面上構(gòu)建對(duì)象。這種方法還將構(gòu)建體積擴(kuò)展到手臂可以到達(dá)的任何地方。例如，Viridis3D 打印機(jī)可以創(chuàng)建 3 x 3 x 6 英尺大的物體。

3D打印在工業(yè)中的發(fā)展勢(shì)頭也是制造業(yè)自身變化的結(jié)果。對(duì)外形尺寸、顏色和材料的定制生產(chǎn)的需求日益增加，并且人們對(duì)通過按需制造零件而不是囤積零件來減少庫(kù)存的興趣日益增加。此外，生產(chǎn)線必須變得更加靈活，能夠快速適應(yīng)不斷變化的需求。高效的 3D 打印可以滿足所有這些需求。在這樣的市場(chǎng)需求帶動(dòng)需求的情況下，3D打印在工業(yè)應(yīng)用中只會(huì)繼續(xù)獲得動(dòng)力。

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審核編輯 黃昊宇