3D打印获得工业动力

作者：Richard Quinnell，特殊项目编辑，技术

几年前，制造业务中的 3D 打印充满希望，但仍未得到证实。从那以后，根据Gartner 炒作周期，它已经下降到“幻灭的低谷”，在这种情况下，现实没有达到预期。但在 4 月的汉诺威博览会上，世界上最大的工业贸易展之一并没有体现出这种幻灭感。在那里，3D打印大量展示，表明3D打印在现代工业运营中的发展势头强劲。

3D 打印（即增材制造）的基本过程似乎很简单。在水平 (XY) 平面上移动，打印机构在构建平台上沉积一层薄薄的材料，对应于目标物体的横截面切片。然后，打印头或基材在垂直 (Z) 方向上略微移动，并重复该过程以将下一个切片的材料放置在先前沉积的材料上。当该过程完成并移除支撑材料后，生成的切片堆栈就是所需的完整 3D 对象。

展会上展示了三种主要类型的印刷机制——挤压、烧结和光刻——这三种类型中的每一种都有多家供应商。惠普还展示了其混合喷射融合 3D 打印机。一些印刷材料供应商也有存在。

 

每种类型的打印机制都提供了制造对象的材料选择以及独特的机遇和挑战。例如，挤出打印通常使用塑料细丝，打印头在构建物体时必须熔化才能挤出和沉积。另一种方法是使用喷墨头将材料沉积在液滴中。无论哪种方式，如果对象的结构具有激进的悬垂或从 Z 轴某处开始且其下方没有任何东西的特征，则该方法会产生问题。由于打印机无法将材料沉积在空气中，甚至无法悬臂离底座太远，因此挤压过程需要打印机在需要的地方创建支撑柱。这增加了对象的描述文件的复杂性，浪费了材料，并且需要对对象进行打印后清洁以移除支撑结构。

不过，工业 3D 挤压打印机正在以多种方式应对这一挑战。一种是使用多头打印机，其中一个头打印目标材料，另一个头打印不同的支撑材料。该支撑材料可以配制为易于从物体的基材上脱离，或者可以是水溶性聚乙烯醇（PVA）之类的东西，可以使用溶剂去除。

烧结 3D 打印绕过了创建支撑结构的需要，因为正在进行的工作总是有基础材料的支持。这些打印机的工作原理是在构建平台上沉积一层粉末材料，然后选择性地将粉末融合成固体以构建切片。通常，该融合过程利用激光产生精确的加热，在构建区域上扫描光束，但也可以使用其他方法。例如，惠普使用所谓的喷射融合技术，利用其喷墨打印机技术将化学融合剂应用到粉末层上。Envisiontec 的 Viridis3D 打印机使用沙子，使用粘合剂将颗粒融合在一起。

烧结印刷的一个优点是可用于构建物体的材料范围。与要求构建材料具有打印头可以处理的足够低的熔点的挤压不同，激光烧结可以使用具有非常高熔点的材料。例如，这允许使用诸如镍、钢或钛之类的金属以及各种类型的陶瓷。然而，烧结的一个缺点是增加了打印机的复杂性。打印机不仅必须能够为每个新层铺设薄而均匀的粉末层，而且必须能够在构建完成后有效地回收和重新使用未烧结的粉末。

第三个主要的 3D 打印工艺，立体光刻，也选择性地硬化覆盖构建平台的材料，但它使用液体代替粉末。当两束光束都聚焦在流体表面附近的同一点或体素（体积像素）上时，双聚焦光源会触发光硬化树脂的固化。然后打印机稍微抬起构建平台，为下一个切片做好准备。因此，构建对象从液体中抽出，无需从构建区域移除未使用的材料，以便为下一次打印运行做好准备。该方法的缺点是可用的光固化构建材料的范围有限。下表给出了所有三种工艺的代表性构建材料的摘要。

用于 3D 打印技术的代表性构建材料。

曾经被认为是一种新奇事物，甚至是一种玩具，3D 打印现在被认为是创建原型和独特或定制物品的可行方法。然而，对于更大规模的制造，3D 打印面临一些限制。一是物体尺寸——要制造的物品必须适合设备的移动限制所定义的体积。下表列出了代表性打印机的构建体积。

具有代表性的工业 3D 打印机。

另外两个限制是制造速度和精度，两者都是相互关联的。由于打印机是按层甚至单个体素制造的，因此物体精度和表面光滑度受到使用中的层厚度或体素大小的限制。同时，制造速度与那些相同的尺寸成反比。细节越精细，制造过程就越慢。

这些限制可能会限制 3D 打印在工业应用中的适用性，其中高精度和大批量生产通常是最重要的。但工业 3D 打印的势头正在增长，供应商正在稳步消除这些限制。许多工业打印机的层厚度已经达到 20 微米，体素的 XY 位置精度为 12 微米，并且正在进行改进。

为了提高 3D 打印机的生产速度，展会上展示了几种方法。例如，HP Fusion Jet 和 Viridis3D 打印机使用线性打印头阵列在构建表面上一次烧结材料。同样，EOS M400-4 在其烧结过程中采用了四个激光器来提高产量。

构建量限制也正在得到解决。Viridis3D 打印机和 IKV 演示单元使用机械臂来控制打印头位置，而不是使用 XY 扫描机构和单独的 Z 轴平台移动。因此，机器人增材制造 (RAM) 方法无需在打印机外壳内（并受其限制）进行部件制造，而是可以在工作环境中所需的任何表面上构建对象。这种方法还将构建体积扩展到手臂可以到达的任何地方。例如，Viridis3D 打印机可以创建 3 x 3 x 6 英尺大的物体。

3D打印在工业中的发展势头也是制造业自身变化的结果。对外形尺寸、颜色和材料的定制生产的需求日益增加，并且人们对通过按需制造零件而不是囤积零件来减少库存的兴趣日益增加。此外，生产线必须变得更加灵活，能够快速适应不断变化的需求。高效的 3D 打印可以满足所有这些需求。在这样的市场需求带动需求的情况下，3D打印在工业应用中只会继续获得动力。

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审核编辑 黄昊宇