3D打印 fdm，3D 打印技术 FDM？

你还记得2012年成龙主演的电影《十二生肖》吗？其中有一个场景非常形象地展现了一种未来技术概念——3D打印，可以对三维兽首进行扫描并复制重现。现实世界中，科技的进步是不可阻挡的。

去年，我国成功地进行了首次太空3D打印，这对于空间站的扩建和长期运行具有重要的意义。最近，一家太空公司也宣布将利用这项技术来制造火箭的所有零部件，并计划在2022年进行全3D打印火箭的发射。3D打印技术正在展现出其非凡的发展潜力和活力。

图1：3D打印技术

增材制造技术，也被称为3D打印技术，是一种利用数字模型文件，通过逐层叠加可粘合材料来构建三维物体的技术。它被认为是“12大颠覆技术”之一，也是第三次工业革命的重要引擎。3D打印技术的出现标志着传统制造业向智能制造业的巨大转变，引发了新的技术革命浪潮。这种技术的应用前景广阔，将会对未来的经济发展产生深远的影响。

相较于传统的制造技术，3D打印技术具有许多优势。它可以消除模具制造的需求，减少废料的产生，以及降低库存的压力。这些特点使得3D打印技术在生产过程中能够优化结构、节约材料和节省能源，从而大大提高制造效率。此外，3D打印技术还能实现“设计引导制造”的创新理念，为制造业带来了更多的可能性。

图2：通用3D打印流程

图片来源：Zhang等人的《ACM多媒体计算机通信应用》2015年第12卷第2期。

发展历程

自1984年美国科学家Charles Hull发明了立体光固化成型技术（SLA）以来，3D打印技术得到了长足的发展。除了SLA技术，还出现了选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和微喷射粘结成型（3DP）等技术。这些技术的出现，为3D打印技术的应用提供了更多的可能性。

自21世纪以来，3D打印技术得到了巨大的发展，全球正式进入了3D打印的高速发展阶段。在这个过程中，各种创新性的小类工艺也逐渐涌现出来，以满足不同行业的需求。这些新技术与传统制造业形成了有效的互补关系。

3D打印方法分类

根据国际标准化组织下的增材制造技术委员会发布的ISO/ASTM 52900:2015标准，3D打印工艺方案主要被分为七个主要类别。

一、材料挤出型

Material extrusion

一种常见的打印方式是通过喷嘴或孔口等有选择地沉积材料。这种方式被称为熔融沉积成型（Fused deposition modelling, FDM）。在打印时，设备会将丝状热熔性材料加热熔化，然后通过带有微细喷嘴的喷头将材料挤出，并有选择地沉积在平台上。每沉积一层，就会形成一个截面，这样逐层打印直至形成整个实体。打印材料主要为聚合物和塑料，例如聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯弹性体TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。

• 优势：该技术具有低廉的设备和耗材价格、广泛的材料选择范围以及高强度的打印产品。
• 缺陷：印刷精度不高，印刷出的样品表面较为粗糙。

二、光聚合成型

Vat photopolymerization

液态聚合物可以通过使用特定波长的光进行选择性光固化。这种技术使用的材料是光敏树脂，当树脂暴露在光照下时，它会从液态转变为固态，从而实现打印过程。这种技术有许多不同的类型，包括立体光刻成型（SLA）和数字光处理（DLP）。这些技术的原理和打印过程都不同。SLA使用激光逐点扫描液态树脂表面，点-线-面的顺序固化以完成一个层面的成型，然后通过移动成型平台逐层叠加来构建三维实体。DLP则使用整面曝光进行一个层面的成型，光源通常是LED紫外光源，每层曝光图形由数字动态掩模芯片等空间光调制器生成。

• 优势：制造精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
• 缺陷：受限的材料范围和相对较弱的材料性能。

三、定向能量沉积型

Directed energy deposition

聚焦热能熔化材料的即熔即沉积工艺是一种先进的制造技术，主要用于构建或修复现有结构。该工艺包括激光同步送粉和电子束熔丝沉积等方法。在该工艺中，能量源如激光束等在沉积区域产生高温熔池，并高速移动。喷嘴将丝状或粉末状材料送入高温区，被加热至熔点后逐层沉积。喷嘴或工作台安装在高度可移动的臂上，从而能够高度灵活地移动。这种技术可以用于制造各种复杂的结构，并且具有高效、精确、灵活等优点。

• 优点：不需要支撑结构，具有高度的加工灵活性，能够高效地制备和修复构件。
• 不足之处在于：制造出来的零件表面精度有限，成型后的零件需要进一步加工，例如需要使用铣床进行加工等，同时对于结构复杂的零件，修复难度较大。

四、材料喷射型

Material jetting

三维打印技术的发展已经推动了2D喷墨打印机的进化。现在，我们有了三维喷墨打印机，它采用了连续材料喷射、纳米颗粒喷射和按需滴落等技术。这些技术可以将材料喷射到打印平台上，并利用紫外光源进行固化成型。与此同时，喷射的光敏液滴材料也得到了升级，包括聚合物和塑料，如ABS和PP等。这种技术的优势在于可以一次性喷射出数百个微小液滴，从而实现更高效的打印。与立体光刻成型（SLA）相比，三维喷墨打印机的喷射技术更加精确，可以实现更高质量的打印。

• 优势：通过高精度的全彩快速打印技术，可以提高原型和最终部件的美学质量，实现更加精准的打印效果。
• 不足之处在于材料的选择范围受限、价格较高，并且需要进行后处理以去除多余的材料。

五、粘合剂喷射成型

Binder Jetting

3DP技术是一种通过喷射粘合剂来实现粉末成型的技术，也被称为微喷射粘结成型。在这个过程中，将粉末状材料装入容器中，然后使用喷墨打印头将粘合剂喷射到粉末中。这样，一层粉末就会在选择区域内发生粘合，然后重复这个过程，下一层粉末会与上一层粉层通过粘合剂的渗透结合为一体，从而层层堆叠成型。当使用金属或陶瓷材料时，需要通过高温烧结去除粘合剂，并实现粉末颗粒间的冶金结合，以使成品具有一定的强度和密度。这种技术可以应用于多种领域，如医疗、建筑和制造业等。

• 优点：具有高效成型能力，可在同一批次中打印不同颜色，且无需使用支撑结构。
• 不足之处在于表面粗糙度较高，成型件的密度较低。对于金属和陶瓷等材料，需要进行脱脂烧结等后处理工艺，而对于聚合物材料，则可能需要添加蜡等物质以增加其结构强度。

六、粉末床熔融成型

Powder bed fusion

这种方法是一种基于粉末床的金属部件打印制造方法，与其他打印方法不同，它不需要使用沉积粘合剂来实现打印。这种方法包括选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBSM）等。在这种方法中，粉末材料被均匀地涂覆在打印平台表面上，然后使用高功率激光或电子束等高能束来熔化和烧结粉末，使之结合在一起，直到形成整个实体。其中，电子束选区熔化会对粉末床进行预热，整个腔室温度最高可达上千度，从而降低成形零件的残余应力。而SLS则需要添加额外的粘结剂，如低熔点金属或者树脂材料等。

• 该技术的优点在于其高精度，能够打印多种材料，包括金属（如钛、铝、铜、不锈钢和高温合金等）、陶瓷和尼龙等。
• 缺陷：制造成本高，制造大尺寸物体时容易出现扭曲，制造速度较慢。

七、片材层压型

Sheet lamination

通过激光切割和粘结剂或焊接的方式，可以将材料组合成实体。与其他工艺方法不同，片材层压打印技术可以使用几乎任何可以卷曲的材料，包括纸张等。片材层压打印技术主要包括分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（UAM）等。LOM利用胶水将多层纸粘合并用刀切割，无需加热或熔化。每张纸的切割方式略有不同。UAM使用超声波焊接机将金属片或金属带粘合在一起，每个金属层都被轧制在生长的结构上。最大的技术优势是低温，适用于对温度敏感的低熔点材料。

• 优点：制造速度快，精度高，形状稳定。
• 不足之处在于，层与层之间的粘接效果不佳，导致成型样件的结构强度存在明显的各向异性。此外，该工艺的材料利用率较低，只适用于制作简单结构的部件。

应用实例

在科研和产业界的大力推动下，3D打印技术在制造业中扮演着越来越重要的角色。这项技术以创新为核心，通过广泛深入的应用，为各个下游行业提供了价值赋能和创造革命的机会。3D打印技术已经涵盖了航天军工、汽车船舶、能源动力、生命医疗、文化创意和建筑等领域，为这些领域带来了深刻的变革。

图3：深蓝火箭实验飞行

最近，美国Arris Composites与空中客车公司合作，致力于在3D打印碳纤维复合材料市场上批量生产轻量化客舱支架。同时，索尔维与OEM 9T Labs合作，将3D打印碳纤维增强塑料部件引入量产，以生产中小尺寸零部件，满足航空、自动化和石油天然气等行业的需求。

在中国制造2025的推动下，国内的3D打印产业正在迎来高速发展的机遇。这一技术正助力国内商业火箭的快速发展。例如，2021年2月，重庆壹零空间首次采用3D打印姿控动力系统产品进行飞行测试。而在2021年7月，深蓝航天成功进行了由3D打印制造发动机的液体火箭低空垂直回收飞行试验。这些成功案例表明，3D打印已成为火箭制造过程中的重要支撑技术，并催生了火箭制造的新赛道。

医疗假体的制造不仅仅局限于骨科、假耳等领域，眼部假体也是其中的一部分。最近，德国Fraunhofer弗劳恩霍夫研究所在3D打印假眼方面取得了重大突破，这表明3D打印技术在制造医疗假体方面的商业化趋势正在不断增强。

预计随着需求的不断增长、政策的不断推进和行业标准的逐步完善，3D打印技术的应用范围和深度将不断扩大。

图4：3D打印仿生眼球

自1980年代诞生以来，3D打印技术已经发展了三十多年，如今正在引领全球制造业的革命。作为“互联网+智能制造”的代表，3D打印技术几乎完美地满足了定制和大规模生产的要求，并在许多领域展现出无限的创造力。尽管3D打印产业正处于成长期，但预计到2026年，全球3D打印产值将达到372亿美元，全球竞争已经开始。然而，实现精密化、智能化、通用化和便捷化仍然是3D打印技术面临的重要课题。我们期待在不断完善和精进的过程中，3D打印技术能够为未来的智能制造带来里程碑式的变革。