1 引言

   3D打印(three-dimensional printing) 技术是一种\从无到有" 的增材制造方法. 其思想起源于19 世纪末美国一项分层构造地貌地形图的专利, 并在20 世纪80 年代得以发展与推广.

   3D 打印技术在美国发展迅速, 其发展状况基本可代表全球3D 打印技术的发展. 1988 年美国的3D Systems 公司生产出了第一台3D 打印装备SLA250, 开创了3D 打印技术发展的新纪元. 1991 年,美国Stratasys 公司的熔融沉积制造(fused deposition modeling, FDM) 装备、以色列Cubital 公司的实体平面固化(solid ground curing, SGC) 装备和美国Helisys 公司的叠层实体制造(laminated object manufacturing, LOM) 装备都实现了商业化. 1992 年, 美国DTM 公司(现属于3D Systems 公司) 的激光选区烧结(selective laser sintering, SLS) 装备研发成功, 开启了3D 打印技术发展热潮. 1996 年, 3DSystems 使用喷墨打印技术, 制造出其第一台3D 打印装备Actua2100. 1996 年, 美国Zcorp 公司也发布了Z402 型3D 打印装备. 国内自20 世纪90 年代初开始3D 打印技术研发, 以华中科技大学研制的LOM 装备和SLS 装备、西安交通大学的光固化成型(stereo lithography, SL) 装备、北京航空航天大学的激光快速成型装备以及清华大学的FDM 装备最具代表性.

   3D 打印技术是一项革命性技术, 3D 打印无需机械加工或者模具, 甚至无需在工厂进行操作. 英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命" , 认为该技术将改变未来生产与生活模式, 实现社会化制造, 每个人都可以成为一个工厂. 此外它将改变制造商品的方式, 进而改变世界的经济格局, 最终改变人类的生活方式.

2 3D 打印技术的发展概述

   与传统加工方式相比, 3D 打印技术将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成形过程, 极大地降低了制造复杂度。3D 打印技术在发展之初, 首先突破了传统制造技术在形状复杂性方面的技术瓶颈, 能快速制造出传统工艺难以加工、甚至无法加工的复杂形状及结构特征. 随着3D 打印技术的不断发展, 现代3D 打印技术已经超越传统单材均质加工技术的限制, 突破下述3 个复杂性. 材料复杂性: 可实现多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面纹理贴图零件的直接制造; 层次复杂性: 可跨越多个尺度(从微观结构到零件级的宏观结构) 直接制造; 功能复杂性: 增材制造可以在一次加工过程中完成功能结构的制造, 从而简化甚至省略装配过程.

2.1 多材料、多色3D 打印技术概述

   多色的3D 打印技术能直接获得产品设计的彩色外观, 而不需要后处理流程, 在消费领域、原型手板及教育行业较以往的单色3D 打印制件有着巨大优势. 多材质的3D 打印技术能将不同性能的材料构建于同一零件上, 缩短加工流程, 减少装配, 提高性能. 3D 打印技术经近些年的发展, 已经出现多种实现多材料、多色打印的技术方法, 并开发出商品化装备.

   Stratasys 公司的最新款3D 打印装备Objet500 Connex3 (收购自Object Geomatries 公司) 支持同一部件多材质、多色打印, 该系列3D 打印装备采用Polyjet(喷射固化成型) 技术, 由Object Geomatries 公司2007 年发布, 使用阵列式喷头将光固化树脂喷射到基底上然后用紫外光将其固化成形, 其层厚可达16 μm, 通过不同颜色树脂的混合, 可以打印上百种色调, 可用于牙科、医疗和消费产品行业的3D 打印. Polyjet 技术使用特别设计的凝胶类支撑材料与所选的模型材料一起喷射, 以支撑悬垂和复杂的几何图形. 可用手或用水轻松将其除去. PolyJet 3D 打印技术最显著的特点是可同时打印多种材料, 包括上百种鲜亮颜色的刚性不透明材料、透明和着色的半透明色调材料、橡胶类柔韧材料和专业光聚合物, 特别适用于牙科、医疗和消费产品行业的3D 打印. 与该技术原理类似的还有美国3D Systems 公司的多喷头打印(multijet printing, MJP) 技术, 其代表产品为Projet 5500X 3D 打印机, 可实现两种材料的按比例渐变混合打印。

   3D Systems 公司的ZPrinter 系列3D 打印装备(收购自Z Corporation 公司) 采用彩色喷墨打印(colorjet printing, CJP) 技术, 该技术通过在粉末床上喷射彩色粘接剂的方法实现彩色技术, 由于彩色粘接剂特性与彩色墨水类似, 通过混合渐变可实现真彩色制件打印. 最新款ZPrinter850 配有5 个打印头(无色、青色、品红、黄色和黑色), 能打印出39 万种颜色.

   Mcor 公司的Mcor IRIS 真彩色3D 打印装备采用LOM 技术, 配有墨盒, 根据每层的颜色将纸张双面用普通彩色打印机打印成彩色, 再切出所需轮廓并粘接, 能打印出100 万种以上的接近真实色彩的3D 模型。

   以色列火龙理工学院的Studio Under 工作室开发了一种彩色陶瓷3D 打印技术, 将特制的彩色粉末混入陶瓷黏土中, 然后用挤出式的3D 打印喷头打印出来, 从而得到彩色陶瓷制品。

   BotObjects 公司开发的ProDesk3D 彩色3D 打印装备采用FDM 技术, 将5种颜色的线材在调色打印头中进行色彩的调配, 这种技术还存在很多问题, 如线材的控制和混合、喷头内残余材料的去除等. 美国麦迪逊大学开发出一种彩色打印转接器Spectrom), 该转接器与FDM 3D 打印机相兼容,在塑料熔化时加入染色剂, 从而打印出不同颜色. 意大利的Stick Filament 公司8)提出在棒状线材的两端加上可以相互扣合的连接头, 这样不同颜色的PLA 线材就可以被连接在一起进行彩色3D 打印。