3D列印原理與3D列印材料

3D 列印技術作為第三次工業革命的代表技術之一，越來越受到工業界和投資界的重視。相對於傳統的減材製造技術的生產原理，3D 列印是一種積層製造技術，是基於三維模型的資料，逐層添加材料的製造方法。

隨著3D 列印產業規模越來越大，3D 列印材料在整個行業中的地位也愈加重要。研究人員根據不同行業特點和需求開發新型材料，3D 列印材料逐漸豐富，目前全球共有300 餘種可規模化生產的3D 列印材料。

目前國內將3D 列印技術原理和3D 列印材料作為整體編寫的教材並不多。基於大專院校對3D 列印及逆向工程相關專業的教學需求，本書的編寫內容著重於介紹各類3D列印的原理知識和目前成熟的各類材料及其在3D 列印中的應用。

本書力求語言簡練、條理清晰、深入淺出，盡可能按照從基礎原理到實際應用，再到今後的發展趨勢的邏輯思路進行編寫。在編寫過程中，編者查閱了大量公開發表的文獻、資料，緊跟3D 列印技術的前沿成果。

本書可作為高等院校以及高職3D 列印及逆向工程專業的教材，也可以作為其他相關專業的教材使用。

袁建軍，副教授，主要指導「CAD/CAM軟體應用」、「先進製造技術」、「機械工程材料」，並進行「逆向工程與3D列印技術」課程教學體系建設的研究與實踐。

谷連旺，專職編者。
劉然慧，專職編者。
邱常明，專職編者。

第1章　緒　論
1.1　3D 列印概述
1.2　3D 列印發展歷史
1.3　3D 列印的發展狀況和發展趨勢
1.4　複習與思考
第2章　3D 列印原理
2.1　光固化成型技術（SLA）
2.1.1　光固化成型技術原理
2.1.2　光固化成型技術工藝過程
2.1.3　光固化成型技術的優缺點
2.1.4　光固化成型技術的應用
2.1.5　光固化成型技術的研究進展
2.2　雷射選區燒結技術（SLS）
2.2.1　雷射選區燒結技術原理
2.2.2　雷射選區燒結技術過程
2.2.3　雷射選區燒結技術的優缺點
2.2.4　雷射選區燒結技術的應用
2.2.5　雷射選區燒結技術的研究進展
2.3　熔融沉積成型技術（FDM）
2.3.1　熔融沉積成型技術原理
2.3.2　熔融沉積成型技術過程
2.3.3　熔融沉積成型技術的優缺點
2.3.4　熔融沉積成型技術的應用
2.3.5　熔融沉積成型技術的研究進展
2.4　薄材疊層製造技術（LOM）
2.4.1　薄材疊層製造技術原理
2.4.2　薄材疊層製造技術過程
2.4.3　薄材疊層製造技術優缺點
2.4.4　薄材疊層製造技術應用
2.5　其他3D成型技術
2.5.1　噴射成型工藝
2.5.2　選區雷射熔化技術
2.6　複習與思考
第3章　3D列印材料——高分子材料
3.1　尼龍材料
3.1.1　耐用性尼龍材料
3.1.2　玻纖尼龍
3.2　橡膠類材料
3.2.1　橡膠簡介
3.2.2　橡膠的性能
3.2.3　橡膠類材料在3D列印中的應用
3.3　ABS材料
3.3.1　ABS材料簡介
3.3.2　ABS材料的性能
3.3.3　ABS材料在3D列印中的應用
3.3.4　可用於3D列印的其他ABS系列改性材料
3.4　其他高分子材料
3.4.1　聚乳酸材料
3.4.2　聚碳酸酯材料
3.4.3　聚亞苯基碸樹脂
3.4.4　聚醚酰亞胺材料
3.5　複習與思考
第4章　3D列印材料——光敏樹脂材料
4.1　環氧樹脂材料
4.1.1　環氧樹脂簡介
4.1.2　環氧樹脂在3D列印中的應用
4.2　丙烯酸樹脂
4.2.1　丙烯酸樹脂簡介
4.2.2　丙烯酸樹脂在3D 列印中的應用
4.3　ObjetPolyjet光敏樹脂材料
4.4　DSMSomos 系列光敏樹脂
4.5　複習與思考
第5章　3D 列印材料——金屬材料
5.1　金屬材料的力學性能
5.1.1　金屬材料的強度和塑性
5.1.2　金屬材料的硬度
5.1.3　金屬材料的衝擊韌性
5.1.4　金屬材料的斷裂韌度
5.1.5　金屬材料的疲勞強度
5.2　金屬材料的物理性能和化學性能
5.2.1　金屬材料的物理性能
5.2.2　金屬材料的化學性能
5.3　金屬材料的工藝性能
5.4　鋁及鋁合金
5.4.1　鋁及鋁合金簡介
5.4.2　鋁及鋁合金性能
5.4.3　鋁及鋁合金在3D 列印中的應用
5.5　鈦合金
5.5.1　鈦合金簡介
5.5.2　鈦合金性能
5.5.3　鈦合金在3D 列印中的應用
5.6　不鏽鋼
5.6.1　不鏽鋼簡介
5.6.2　不鏽鋼在3D 列印中的應用
5.7　其他金屬材料
5.7.1　鎳基合金
5.7.2　鈷鉻合金
5.7.3　鎂合金
5.8　複習與思考
第6章　3D列印材料——無機非金屬材料
6.1　陶瓷材料
6.1.1　陶瓷材料簡介
6.1.2　陶瓷材料的性能
6.1.3　陶瓷材料在3D列印中的應用
6.2　石膏材料
6.2.1　石膏材料簡介
6.2.2　石膏材料的性質
6.2.3　石膏在3D列印中的應用
6.3　複習與思考
第7章　3D列印材料——新材料
7.1　澱粉材料
7.1.1　澱粉材料的簡介
7.1.2　澱粉材料的性能
7.1.3　澱粉材料在3D列印中的應用
7.2　矽膠材料
7.2.1　矽膠材料的簡介
7.2.2　矽膠材料的性能
7.2.3　矽膠材料在3D列印中的應用
7.3　人造骨粉材料
7.3.1　人造骨粉材料的簡介
7.3.2　人造骨粉材料的性能
7.3.3　人造骨粉材料在3D列印中的應用
7.4　新型3D列印材料
7.4.1　食用材料
7.4.2　奈米碳管材料
7.4.3　石墨烯材料
7.5　複習與思考
參考文獻

1.1　3D列印概述

隨著人類社會的發展與進步，材料加工成型技術也發生了翻天覆地的變化。石器時代，人類就可以基於切削等手段用石頭製造簡單的工具。此後，材料的加工成型方式隨著科學技術的發展逐漸趨於精細化與高效化，但是傳統的加工成型依然長期依賴於以下兩種方法：一是基於材料去除（切、削、鑽、磨、鋸等）的自上而下的「減材技術」，比如鋁合金部件可以經過車床切削加工成不同形狀的部件；二是基於材料顆粒或部件組裝的模塑法，比如顆粒狀的熱塑性高分子材料可以在模具中被熱加工成型為不同幾何形狀的製品。雖然傳統的加工成型方法取得了極大的發展，但是受工藝的局限，「減材技術」與模塑法在成型較複雜的幾何形狀時依然面臨著成型困難、週期長、成本高和廢棄物多等諸多問題。自20世紀末以來，「積層技術」取得了突破性的進展，「積層技術」是基於材料自下而上地逐層堆積從而獲得目標製品的一種成型方式，又可形象地稱之為3D列印。相比傳統的加工成型方法，3D列印特殊的成型工藝決定了其具有成型形狀豐富、節能環保、成型週期短與低成本等優勢。顯然，3D列印對於傳統加工成型方法具有里程碑式的意義，其研究與發展將極大地促進與協助傳統加工成型方法與傳統製造業的發展。

3D列印是一種整合了計算機軟體、數學、機械自動化、材料科學與設計等多種學科門類的集成技術。3D列印的工作原理可以被概括為：首先借助切片軟體對數位模型文件進行分層與計算，然後通過自動化列印設備將材料按照目標模型的橫切面自下而上逐層堆積從而得到目標製品。雖然目前3D列印已經初步應用於軟體機器人、生物工程、電子元件製造和微流體技術等諸多領域，並且展現出極大的應用與發展潛力，但是3D列印仍然面臨著成型精度、速度和製品性能的挑戰。另外，目前大部分的3D列印製品都是作為結構性製品來應用的，缺乏功能性（如導熱、刺激-響應性能等），這些因素都限制3D列印的進一步發展與應用。理論上來講，以上各因素可通過對3D列印軟體、設備與材料的研究來調整與改進。其中材料對3D列印技術的改進與升級產生了決定性的作用。例如，材料的成型收縮對3D列印精度產生了關鍵性的作用；3D列印速度與材料的結晶與固化速率密切相關；材料的性能直接決定了3D列印製品的綜合性能。目前可用於3D列印的材料（結構性與功能性材料）依然非常昂貴與稀缺。例如，可用於熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）3D列印的材料只有部分熱塑性高分子材料；可用於光固化成型3D列印的材料只有光敏樹脂。因此，新型可3D列印材料的研究與製備對於3D列印在未來的應用與發展意義重大。相比傳統的金屬與無機非金屬材料，高分子材料具有質輕、價廉、易於加工成型與性能易於調節等優勢，在3D列印領域具有極大的研究與應用價値。

1.2　3D列印發展歷史

3D列印技術的核心製造思想起源於19世紀末的美國，到1980年代後期，3D列印技術發展成熟並被廣泛應用。

在1995年之前，還沒有3D列印這個名稱，那時比較為研究領域所接受的名稱是「快速成型」。1995年，美國麻省理工學院的兩名大四學生吉姆和蒂姆的畢業論文選題是快速成型技術。兩人經過多次討論和探索，想到利用當時已經普及的噴墨印表機。他們把印表機墨盒裡面的墨水替換成膠水，用膠水來黏結粉末床上的粉末，結果可以列印出一些立體的物品。他們將這種列印方法稱作3D列印（3D Printing），將他們改裝的印表機稱作3D印表機。此後，3D列印一詞慢慢流行，所有的快速成型技術都歸到3D列印的範疇。

從3D列印思想的提出，到各類3D列印原理以及各類3D列印的出現，3D列印技術經歷了一百多年的發展。

中國的3D列印技術研究起步於1999年，比美國晚了十五年左右，但進步非常顯著。中國航空工業集團有限公司採用雷射3D列印技術生產的大型鈦合金構件，已經成功用在殲-11戰機上。

1.3　3D列印的發展狀況和發展趨勢

（1）3D列印的發展狀況

2018年，全球3D列印技術產業產値達到97.95億美元，較2017年增加24.59億美元，同比成長33.5%。全球工業級3D列印設備的銷量近20000臺，同比成長17.8%，其中金屬3D列印設備銷量近2300臺，同比成長29.9%，銷售額達9.49億美元，均價約41.3萬美元。以美國GE公司為代表的航空應用企業開始採用3D列印技術批量化生產飛機引擎配件，並嘗試整機製造，計劃2021年啟用一萬臺金屬3D印表機，顯示了3D列印技術的顛覆性意義。相應地，歐洲及日本等國家和地區也逐漸把3D列印技術納入未來製造技術的發展規劃中，比如歐盟規模最大的研發創新計劃「地平線2020」，計劃7年內（2014—2020年）投資800億歐元，其中選擇10個3D列印項目，總投資2300萬歐元；2014年日本發佈的《日本製造業白皮書》中，將機器人、下一代清潔能源汽車、再生醫療以及3D列印技術作為重點發展領域；2016年，日本將3D列印器官模型的費用納入保險支付範圍；2019年，德國經濟和能源部發佈的《國家工業策略2030》草案中，將3D列印列為十個工業領域「關鍵工業部門」之一。

從技術上看，3D列印已經能夠滿足大部分工業應用場景的需求，比如，3D列印技術可以實現金屬和塑膠零件以及成品的製造，性能與傳統製造工藝相當，金屬零件的強度優於鑄件，略低於鍛件。目前已經解決了原材料製備的問題，所有可焊接的金屬均可使用3D列印技術。

從成本角度看，3D列印已經在航空、航太、軍工、醫療等高價値及高附加値產業中具備了經濟效益。2013年1月，王華明院士獲獎的「飛機鈦合金大型複雜整體構件雷射成形技術」塡補了中國空白，也是全世界唯一的大型鈦合金材料3D列印整體成型的技術。中國產大飛機機翼鈑金件的3D列印製造，彌補了中國該類型零件鍛壓工藝的缺陷。空客A320飛機鈦合金艙門鉸鏈通過3D列印技術，實現了輕量化設計和非常規結構零件的製造。GE公司採用3D列印技術製造了航空引擎噴油嘴，一個零件集合了過去多個零件，降低了製造成本。

3D列印技術目前存在的問題主要是設備成本高、原材料成本高、加工效率低，如EOS公司的M400型3D印表機價格昂貴，列印速度僅100cm3/h，原材料鈦合金粉末為3000元/kg。正是以上原因導致目前3D列印用於大規模生產的成本相對較高，但隨著技術的進步，預計未來3D列印成本將會快速降低，性能將大幅提高。

「天問一號」安裝使用了超過100個3D列印定製的零部件，其中包含相當數量的金屬3D列印零部件。

截至2021年1月3日，中國「天問一號」火星探測器飛行里程已突破4億公里，2月24日成功實施第三次近火制動，進入火星停泊軌道。