3D打印思想最早可以追溯到19世紀(jì)的美國(guó)，又被稱(chēng)為三維打印或快速成型技術(shù)，是直接從數(shù)字模型通過(guò)材料堆積來(lái)生產(chǎn)三維實(shí)體的技術(shù)。據(jù)記載，在20世紀(jì)80年代3D打印技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)際運(yùn)用，并且被命名為“Rapid Prototyping Manufacturing”。目前，3D打印技術(shù)已在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、制造裝備、材料制備、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域產(chǎn)生全面、深刻的變革，并成為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，受到世界各國(guó)的極大關(guān)注。我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)水平總體不高，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模相對(duì)較小，但發(fā)展勢(shì)頭較好，在高分子材料中的應(yīng)用還處于探索階段。

3D打印技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1. 技術(shù)原理

3D打印技術(shù)與激光成型技術(shù)基本上是一樣的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)采用分層加工、迭加成形，逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體。稱(chēng)它為“打印機(jī)”的原因是參照了其技術(shù)原理，3D打印機(jī)的分層加工過(guò)程與噴墨打印機(jī)十分相似。首先是運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出所需零件的三維模型，然后再根據(jù)工藝需求，按照一定規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單位，通常在Z向?qū)⑵浒凑找欢ǖ暮穸冗M(jìn)行離散，把原來(lái)的三維CAD模型變成一系列的層片；然后再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，然后系統(tǒng)后自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后由成型一系列層片并自動(dòng)將它們連接起來(lái)，最后得到一個(gè)三維物理實(shí)體。

2. 優(yōu)點(diǎn)

一、最直接的好處就是節(jié)省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過(guò)摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；

二、能做到很高的精度和復(fù)雜程度，除了可以表現(xiàn)出外形曲線上的設(shè)計(jì)；

三、不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件；

四、它可以自動(dòng)、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；

五、3D打印能在數(shù)小時(shí)內(nèi)成形．它讓設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)了從平面圖到實(shí)體的飛躍；

六、它能打印出組裝好的產(chǎn)品，因此它大大降低了組裝成本。它甚至可以挑戰(zhàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式。

3. 缺點(diǎn)

任何一個(gè)產(chǎn)品都應(yīng)該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過(guò)3D打印制造出來(lái)的產(chǎn)品在實(shí)用性上要打一個(gè)問(wèn)號(hào)。①?gòu)?qiáng)度問(wèn)題：房子、車(chē)子固然能“打印”出來(lái)，但是否能抵擋得住風(fēng)雨，是否能在路上順利跑起來(lái)，仍是一個(gè)必須面對(duì)的問(wèn)題；②精度問(wèn)題：由于分層制造存在“臺(tái)階效應(yīng)”，每個(gè)層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會(huì)形成具有一定厚度的一級(jí)級(jí)“臺(tái)階”，如果需要制造的對(duì)象表面是圓弧形，那么就會(huì)造成精度上的偏差；③材料的局限性：目前供3D打印機(jī)使用的材料非常有限，無(wú)外乎石膏、無(wú)機(jī)粉料、光敏樹(shù)脂、塑料等，能夠應(yīng)用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機(jī)對(duì)單一材料也非常挑剔。

3D打印技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用

1. 高分子原材料的種類(lèi)

作為3D打印的重要環(huán)節(jié)，材料方面也是起到舉足輕重的作用的，目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類(lèi)繁多，其中應(yīng)用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂、聚丙烯酸樹(shù)脂以及氨基丙烯酸樹(shù)脂。

2. 常見(jiàn)應(yīng)用工藝

目前應(yīng)用較多的3D打印高分子材料技術(shù)主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等[5]。

光固化立體印刷

光固化3D打印（SLA）工作原理與噴墨打印類(lèi)似，在數(shù)字信號(hào)的控制下，噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹(shù)脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過(guò)紫外光對(duì)光敏樹(shù)脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。成形過(guò)程如下：首先根據(jù)零件截面的形狀，控制打印噴頭沿X、Y軸運(yùn)動(dòng)，在既定截面的相關(guān)實(shí)體區(qū)域打印實(shí)體材料，在支撐區(qū)域打印支撐材料，并在紫外光的照射下進(jìn)行固化，然后打印平臺(tái)沿Z軸下降一定高度，噴頭接著打印固化下一層，如此逐層打印固化直至工件的完成，最后除去工件中的支撐材料即可獲得所需的工件。

光固化3D打印材料由光固化實(shí)體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據(jù)其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱(chēng)光敏樹(shù)脂，主要由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑（活性單體）、光引發(fā)劑以及其它助劑組成。國(guó)外由于起步較早，并且3D打印機(jī)能夠?yàn)楣饷魳?shù)脂的研究提供實(shí)驗(yàn)器材的支持，因而國(guó)外在3D打印光敏樹(shù)脂做的較為成熟。目前國(guó)外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國(guó)的3DSystems公司，這兩個(gè)公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹(shù)脂的市場(chǎng)。但是這些公司把光敏樹(shù)脂作為核心技術(shù)，成果很少對(duì)外公布，并且將這些光敏樹(shù)脂與其生產(chǎn)的光固化3D打印機(jī)捆綁銷(xiāo)售。

審核編輯 黃昊宇