1.1 3D打印概论

随着新型工业化、信息化、城镇化的同步推进，居民消费潜力不断释放，客户需求日趋多样化和个性化，产品更新速度加快、生产周期变短、质量要求越来越高、成本越来越低。多品种、小批量生产模式已成为企业现代经济的一种模式［1-3］。而个性化、小批量的高分子医用产品、航空航天配件、文化创意制品等需求的快速发展，又使研发及设计样品制造需求不断扩大，因此一种满足小批量快速加工的塑料成型方法成为研究热点。

3D打印技术是先进制造技术中的重要研究领域，它的优点在于可制备复杂曲面制品、近净成型、数字化设计与制造等［4］。经过30多年的发展，3D打印技术从概念、工艺及设备研发向行业应用迅速转移，给传统制造业及智能制造发展趋势带来深刻影响。根据加工材料的类型与方式进行分类，又可分为金属3D打印、聚合物3D打印、生物材料3D打印等。

我们平常使用的普通打印是用于打印计算机输出的平面物品，但是实际上，3D打印与普通打印的工作原理基本相似。普通打印是将墨水喷涂在纸张上，而3D打印则是利用金属、塑料等材料累积叠加成三维立体图形，将计算机建立的模型以实物的形式展现出来。

与传统加工方式相比，3D打印技术的生产成本与制品的复杂程度无关，只与用料多少及用料成本有关，从一定程度上，能够降低制造成本。3D打印技术可以直接成型整个部件，无需组装，并且大大扩展了所加工制品形状的范围。3D打印因具有的这些优势，在未来会逐渐渗透到人们的生活中，得到越来越广泛的应用。

1.1.1 3D打印的工作原理

3D打印技术（3D Printing）又被称为增材制造技术（additive manufacturing）、快速成型技术（rapid prototyping）。ASTM国际标准组织F42增材制造技术委员会对其原理的定义为：“根据三维模型数据，通过逐层堆积材料的方式进行加工，有别于减材制造方法，通常通过喷头、喷嘴或其他打印技术进行材料堆积的一种制品加工方法。”［5］它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一点点叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印材料、3D打印机、设计好的3D模型图是3D打印的必备条件。3D打印材料就如同普通喷墨打印机的“A4纸”和“墨水”，想打印不同种类，只需根据自身需求，结合实际情况选择相应的3D打印材料就可打印出最终作品。要提到的一点是，如果选择金属类材料，需选择与之对应的金属3D打印。

3D打印基本的加工流程可分为5个步骤，如图1-1所示。

①三维建模　运用三维软件构建三维曲面或实体模型，可使用的软件包括NX、Pro/E、SolidWorks等工程类软件，Rhinos、Maya、3Dmax等复杂曲面建模软件等。

②三角网格化（STL）　STL文件是一种数字化网格文件，能够描述三维物体的几何信息。在三维软件中可通过设置弦高的方式提高模型精度，并导出模型的数字文件。

③模型分层　将STL文件转到3D打印软件进行模型分层和工艺设定。不同类型的3D打印设备具有不同的工艺设定软件，如开源3D桌面打印机的Cura、Simplify、Makerware软件等；对于工业级3D打印机，其软件与设备合成，开源软件较少。在软件中对数字模型进行切片分层、路径规划，并对打印速度、填充率、温度、压力等参数进行设定，最终生成3D打印设备可识别的语句，如Gcode切片文件。

④堆积制造　不同类型的3D打印机有不同的打印准备流程，与耗材及工艺相关，但均采用逐层堆积的方式进行加工，这样将复杂的物理实体转化为二维片层加工，降低了加工难度，而且产品的结构复杂程度对加工工艺无影响。

⑤后期处理　在打印完成后，为保证制品的表面精度及其他性能，需进行一系列后处理，如清除支撑结构、清洗残余粉末及树脂等；或者在丙酮蒸气里进行表面光滑处理，以及为提高制品力学性能，用紫外线进行照射等处理方法。

1.1.2 3D打印发展历程

3D打印的想法起源于19世纪末美国的一项分层构造地貌地形图的专利。1984年，Hull提出快速成型的概念，真正确立则是以美国麻省理工学院的Scans E.M和Cima M.J等在1991年申报关于三维打印专利为标志。近三十年来，3D打印技术得到了迅速发展，其发展历程如图1-2所示。2005年，Zcrop公司成功研制出首台高清彩色3D打印机——Spectrum Z510。2010年11月，第一辆3D打印的汽车Urbee由美国Jim Kor团队打造出来。之后，更是出现3D打印金属枪/飞机等。

3D打印工艺主要分为7大类［6］：耗材挤出成型（material extrusion）、耗材喷射成型（material jetting）、胶液喷射成型（binder jetting）、片层堆叠成型（sheet lamination）、光固化成型（vat photopolymerization）、粉末床熔结成型（power bed fusion）、定向能量沉积成型（direction energy deposition）。每大类包含众多分类，成型工艺稍有区别。

常用于聚合物且已得到广泛应用的3D打印工艺有：丝材熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结成型（selective laser sintering，SLS）、液态树脂光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、薄材叠层实体制造（laminated objected manufacturing，LOM）、三维印刷（three dimension printing，3DP）、微滴喷射成型（micro-droplet jetting，MDJ）。这6种打印工艺各有优缺点，根据耗材的不同或其3D打印设备的价格来选择不同的成型工艺，将在后续章节进行详细介绍。

1.1.3 3D打印在聚合物加工成型中的应用

根据Wohlers 2015 研究报告［6］，3D打印技术应用日趋广泛，2014年非金属打印机销售13393台，其中用于聚合物加工的设备占90%以上。基于聚合物的3D打印制品主要应用于模型制品及结构功能制品，主要分布在：①视觉教具，应用于工程、设计及医学教学领域；②展示模型，应用于建筑及创新设计展示领域；③结构器件，应用于临时装配、组装的机械结构领域；④铸造模具，应用于小批量翻模或铸造阳模等领域；⑤功能制品，具有特殊用途的相关制品领域。

研究人员在聚合物3D打印制品应用领域进行了大量的尝试，并针对其特殊应用对3D打印工艺进行优化，拓宽了3D打印的应用范围。