三維列印技術
三維列印技術
三維立體列印的技術。三維立體印表機，也被稱為快速成型印表機。它是利用普通印表機的原理，將印表機和計算機連接起來，把原料裝入機身，通過計算機的控制，用激光注射器將原料一層一層累積起來，最後將計算機上的藍圖變成實物。
3D印表機在90年代中期就出現了。在過去十年裡，它已經被設計師、工程師以及科學家用來製造一次性的機械產品以及模型。他們通過一層一層堆積的液體和粉末來生產物體。助聽器生產部門利用3D印表機掃描患者的耳朵輪廓后複製出合適的助聽器；汽車定製公司也在利用這套設備為汽車愛好者提供專門的汽車部件；消費電子產品廠商用它來完成對產品功能的設計，以避免在大規模生產後修改設計；醫生用它來製造實習模型；博物館用它複製真品，以避免參觀者損毀真品。
但是，這套機器價格不菲，每套大約需要10萬美元。最近幾年，價格下降到約1.5萬美元。如此昂貴的費用也只有大型公司才能負擔。
本項目的目標是為了製造出價格在1000美元之內的桌面3D印表機，方便設計師，工程師，科技人員甚至是普通愛好者的使用。
3D列印技術源自19世紀美國研究的照相雕塑和地貌成型技術，學界將其稱為“快速成型技術”。1986年美國科學家查爾斯·胡爾利用一種叫光敏樹脂的液態材料，發明出世界上第一台3D印表機。隨後胡爾以這種技術為基礎成立了世界上第一家3D列印設備公司3D Systems，並於1992年賣出了第一台商業化產品。上世90年代3D技術經歷過一波快速發展，例如1989年美國得克薩斯大學卡爾提出選擇性激光燒結（SLS）技術，1990年麻省理工學院申請了“三維印刷技術”專利等。本世紀至今全球越來越多的公司先後涉足3D列印製造，目前全球已經產生兩家行業巨頭Stratasys公司和3D Systems。
三維列印技術
據統計， 2012年3D列印市場規模達到22.04美元，同比增長29%，預計未來3D列印市場將保持快速增長的勢頭。
3D列印原理——分層製造，逐層疊加
“3D列印”是一類將材料逐層添加來製造三維物體的“增材製造”技術的統稱，其核心原理是：“分層製造，逐層疊加”，類似於高等數學里柱面坐標三重積分的過程。區別於傳統的“減材製造”，3D列印技術將機械、材料、計算機、通信、控制技術和生物醫學等技術融合貫通，具有縮短產品開發周期、降低研發成本和一體製造複雜形狀工件等優勢，未來可能對製造業生產模式與人類生活方式產生重要的影響。
按照3D列印的成型機理，通常將3D列印分為兩大類：沉積原材料製造與黏合原材料製造，涵蓋十多種具體的三維快速製造技術，較為成熟和具備實際應用潛力的技術有5種：SLA-立體光固化成型、FDM-容積成型、LOM-分層實體製造、3DP-三維粉末粘接和SLS-選擇性激光燒結。
技術類型與材料共同決定應用範圍
具體到細分類型，不同的成型原理對材料的要求也不同。目前SLA技術主要採用液態光敏樹脂，FDM技術主要使用絲狀熱熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金屬粉末，而3DP可使用金屬粉末或塑料粉末等。反過來講，材料本身的物理特性又會限制不同技術的應用。
立體光固化成型的成形速度快，精度相對較高，且外形表面好，但限於光敏樹脂的物理特性，其3D列印產品主要用於代替熔模精密鑄造中的蠟模和原型設計驗證方面，而很少作為功能性零件使用。
目前3D列印技術中唯一可桌面化的技術是FDM，京東商城所售的3D印表機就是基於這種技術，使用ABS或PLA絲狀、線狀材料製作玩具；而在工業中FDM使用的絲狀材料主要是工程塑料，其產品多為塑料件、鑄造蠟模和樣件等。SLS是3D技術中最具潛力製備功能性零件的技術，SLS可再細分為金屬粉末和粘結劑混合燒結、金屬粉末激光燒結和金屬粉末壓坯燒結；SLS主要優勢是製作相對高強度的金屬製品，在高端製造領域中完成樣件功能試驗或裝備模擬。南京航空航天大學用Ni基合金混銅粉進行燒結成型的試驗，成功地製造出具有較大角度的倒錐形狀的金屬零件。
與傳統製造技術相比，各有用武之地
傳統機械製造是基於削、鑽、銑、磨、鑄和鍛等“減”材製造基本工藝的組合，工件的製造一般要經過多個工藝的組合才能完成。而3D列印技術秉承“分層製造，逐層疊加”核心原理，是一體成型技術，一台3D印表機就可以完成整個工件的製造。從工業應用領域來看，目前3D列印適於小批量、造型複雜的非功能性零部件；大多在汽車、航天等領域內用於製造樣件和模具等；而傳統的機加工製造就適用於大規模、需要量產的部件，並廣泛應用在幾乎所有領域。從使用的材料來分析，受制於技術的需要，3D列印技術目前使用的材料多為塑料、光敏樹脂和金屬粉末等材料，這與傳統機加工可以使用幾乎任何材料相比要少很多。但3D列印就像其技術特點一樣，幾乎不產生浪費，材料的利用率可超過95%；而傳統的“減”材製造，不同程度要產生許多廢料。
未來可能與傳統製造業優勢互補
如今，3D列印技術已經在社會公眾中引起了較大的反響，多個企業宣布即將進入或已經進入3D列印領域，業界也有學者認為3D列印將是推動第三次工業革命的重要內容，將在製造業掀起顛覆性的革命。
但是，近代裝備製造業經過數百年的積累和發展，形成了配套完善、功能齊全產業基礎；新世紀以來，傳統製造業中不斷引入新一代信息技術，正在向智能化、數字化與網路化的現代先進位造業轉變。
三維列印的設計過程是：先通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟體建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，從而指導印表機逐層列印。
設計軟體和印表機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩列印的輸入文件。
印表機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。
印表機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的解析度是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分印表機如Objet Connex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟激光印表機相近的解析度。列印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用三維列印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由印表機的性能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。
傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品，而三維列印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維印表機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。
三維印表機的解析度對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高解析度的物品可以通過如下方法：先用當前的三維印表機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高解析度”物品。
有些技術可以同時使用多種材料進行列印。有些技術在列印的過程中還會用到支撐物，比如在列印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易於除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。
許多相互競爭的技術是可用的。它們的不同之處在於以不同層構建創建部件，並且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的“墨水”，例如：選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）和混合沉積建模（fused deposition modeling，FDM），還有一些技術是用液體材料作為列印的“墨水”的，例如：立體平板印刷（stereolithography，SLA）、分層實體製造（laminated object manufacturing，LOM）。每種技術都有各自的優缺點，因而一些公司會提供多種印表機以供選擇。一般來說，主要的考慮因素是列印的速度和成本，三維印表機的價格，物體原型的成本，還有材料以及色彩的選擇和成本。
三維列印技術
可以直接列印金屬的印表機價格昂貴。有時候人們會先使用普通的三維印表機來製作模具，然後用這些模具製作金屬部件。
累積技術基本材料
選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
直接金屬激光燒結（Direct metal laser sintering，DMLS）幾乎任何合金
熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）熱塑性塑料，共晶系統金屬、可食用材料
立體平版印刷（stereolithography，SLA）光硬化樹脂（photopolymer）
數字光處理（DLP）液態樹脂
融化壓模（Melted and Extrusion Modeling，MEM）金屬線、塑料線
分層實體製造（laminated object manufacturing，LOM）紙、金屬膜、塑料薄膜
電子束熔化成型（Electron beam melting，EBM）鈦合金
選擇性熱燒結（Selective heat sintering，SHS） Thermoplastic powder
粉末層噴頭三維列印（en:Powder bed and inkjet head 3d printing，PP）石膏
（1）三維噴塗粘接成型機
（2）噴墨式三位列印
三維噴塗粘接原理：
3DP工藝與SLS工藝類似，採用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。
三維列印技術
用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。先燒掉粘接劑，然後在高溫下滲入金屬，使零件緻密化。提高強度。
三維噴塗粘接特點:
適合成型小件；
工件的表面不夠光潔，需要對整個截面進行掃描粘接，成型時間較長；
採用多個噴頭。
代表公司：Z Corporation
3D列印技術實際上是一系列快速原型成型技術的統稱，其基本原理都是疊層製造，由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維製件。目前市場上的快速成型技術分為3DP 技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光燒結、DLP激光成型技術和UV紫外線成型技術等。
3DP技術：3DP全稱Three Dimensional Printing（三維列印）。這才是真正的3D列印！因為這種技術和平面列印非常相似，連列印頭都是直接用平面印表機的。和SLS類似，這個技術的原料也是粉末狀的。典型的3DP印表機有兩個箱體。如上圖所示，左邊為儲粉缸，右邊為成型缸。列印時，左邊會上升一層（一般為0.1mm），右邊會下降一層，滾粉輥把粉末從儲粉缸帶到成型缸，鋪上厚度為0.1mm的粉末。印表機頭根據電腦數據把液體列印到粉末上。（平面印表機的Y軸是紙在動，而3DP的Y軸是列印頭在動）液體要麼是粘合劑要麼是水（用於激活粉末中粉狀粘合劑）。
FDM熔融層積成型技術：FDM熔融層積成型技術是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地塗敷在工作台上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成後，機器工作台下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用於成型小塑料件。
SLA立體平版印刷技術：SLA全稱Stereolithography（立體印刷術）。它用激光選擇性地讓需要成型的液態光敏樹脂發生聚合反應變硬，從而造型。SLA有兩大類，一種是Objet為代表的，從下到上列印的。另一種是FormLabs為代表的，從上往下列印的。
SLS選區激光燒結技術：SLS全稱Selective Laser Sintering（選擇性激光燒結）。和SLA類似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液態的光敏樹脂，而是粉末。激光的能量讓粉末產生高溫和相鄰的粉末發生燒結反應連接在一起。
DLP激光成型技術：DLP激光成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似，不過它是使用高解析度的數字光處理器(DLP)投影儀來固化液態光聚合物，逐層的進行光固化，由於每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術速度更快。該技術成型精度高，在材料屬性、細節和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。
UV紫外線成型技術：UV紫外線成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的過程中沒有噪音產生，在同類技術中成型的精度最高，通常應用於精度要求高的珠寶和手機外殼等行業。
每一種添加性製造技術的具體原理都不一樣，但是主要都是想辦法根據電腦數據製造出一層東西，然後在這層東西上面再製造一層東西，如此類推，直至製造出整個立體模型。
主要特點是成品結構複雜性幾乎不受限制。
目前主要用於航空工業、汽車工業、專業設計（產品設計和建築設計的模型製造）、外科（量身定做的矯正牙套、假牙、助聽器）等等。
Three Dimension Printing 3DP三維列印
Three-Dimensional Printing TDP快速成型機
過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型，現正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值應用（比如髖關節或牙齒，或一些飛機零部件）已經有使用這種技術列印而成的零部件。“三維列印”意味著這項技術的普及。
三維列印通常是採用數字技術材料印表機來實現。這種印表機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。
該技術珠寶，鞋類，工業設計，建築，工程和施工（AEC），汽車，航空航天，牙科和醫療產業，教育，地理信息系統，土木工程，槍支以及其他領域都有所應用。
粉末材料選擇性燒結
小型快速成型機
3DP工藝是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人1989年研製的。已被美國的Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名義商品化，用以製造鑄造用的陶瓷殼體和芯子。
1. 先開啟 Z-corp 前處理軟體將需要列印的 S.T.L. 檔案輸入
2. 操作時必須佩帶手套及口罩
3. 檢查廢料瓶及粉末回收箱是否有足夠空間
4. 用工具將粉末內的空氣帶走
5. 用力將粉末擠實
6. 啟動掃粉器將粉末鋪平
7. 用蒸餾水洗凈噴墨頭製造原型
8. 按 Online 將印表機及計算器連接
9. 印表機會根據分層出來的 2D 圖像進行噴墨列印
10.列印完成後將粉末取走將原件小心地取出，並用毛帚將粉末清除
11. 將原件放置於清粉器，用風槍將多餘的粉末吹走
12. 風槍壓力應調較至大概 2 – 3 bar 大氣壓力
13. 將原件放置於抽氣室中進行膠水滲透程
行業諮詢公司“沃勒斯協會”提供的數據顯示，三維列印技術的市場銷售額已達17億美元，且有望在2015年前升至37億美元。
三維列印技術
作為三維列印技術的發明者和領頭羊，“三維繫統”公司2012年收益2.3億美元，比前年增長四成多。
公司設計的一款新型印表機“立方體”（Cube）定於2012年五月上市，其工作原理和“饒舌男”類似，應用程序則借鑒蘋果公司產品，更方便顧客操作。
它的自帶程序里已預先裝載大量物品設計圖，比如棋子、首飾、廚具等，顧客無須學習複雜的三維設計軟體，便可直接列印所需物品。
此外，“立方體”還支持無線網路鏈接，顧客能從網站付費下載更多物品設計圖：一隻玩具大象收費4.99美元，一枚戒指10美元，一把剃鬚刀15美元。
總部設在紐約的Shapeways公司是“三維繫統”的有力競爭對手。這家公司走的市場路線與購物網站“亞馬遜”類似：顧客通過網站上傳自己設計的產品圖，或訂購現有的設計圖，公司則按圖列印產品，送貨上門。
在Shapeways的網站上，既有標價760美元的珊瑚造型檯燈，也有隻賣幾美元的小飾品，還有一些僅三維列印技術才能製造出的稀奇玩意兒，例如類似俄羅斯套娃但不能打開的“套球”。
Shapeways公司首席執行官彼得·魏馬爾肖森說，他們每個月售出大約10萬件產品，其中最受歡迎的是珠寶首飾、蘋果手機套和玩具火車。
醫療行業。一位83歲的老人由於患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D印表機“列印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D列印產品做人體骨骼的案例。
科學研究。美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D列印技術做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特徵，同時還做了比例縮減，更適合研究。
三維列印技術
產品原型。比如微軟的3D模型列印車間，在產品設計出來之後，通過3D印表機列印出來模型，能夠讓設計製造部門更好的改良產品，打造出更出色的產品。
文物保護。博物館里常常會用很多複雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時複製品也能將藝術或文物的影響更多更遠的人。史密森尼博物館就因為原始的托馬斯·傑弗遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D列印替代品放在了原來雕塑的位置。
建築設計。在建築業里，工程師和設計師們已經接受了用3D印表機列印的建築模型，這種方法快速、成本低、環保，同時製作精美。完全合乎設計者的要求，同時又能節省大量材料。
製造業。製造業也需要很多3D列印產品，因為3D列印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統製造好很多。而3D列印技術本身非常適合大規模生產，所以製造業利用3D技術能帶來很多好處，甚至連質量控制都不再是個問題。
食品產業。沒錯，就是“列印”食品。研究人員已經開始嘗試列印巧克力了。或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D印表機“列印”出來的。當然，到那時可能人工製作的食品會貴很多倍。
汽車製造業。不是說你的車是3D印表機列印出來的（當然或許有一天這也有可能），而是說汽車行業在進行安全性測試等工作時，會將一些非關鍵部件用3D列印的產品替代，在追求效率的同時降低成本。
配件、飾品。這是最廣闊的一個市場。在未來不管是你的個性筆筒，還是有你半身浮雕的手機外殼，抑或是你和愛人擁有的世界上獨一無二的戒指，都有可能是通過3D印表機列印出來的。甚至不用等到未來，就可以實現。
基本信息
- 中文名
- 三維列印技術
- 外文名
- Three Dimension Printing
- 類型
- 技術名詞
- 簡稱
- 3DP
- 時間
- 90年代中期