3D打印：能走多远？

今年人们对增材制造的兴趣（3D打印）呈病毒式传播，随着兴趣而来的则是更多的疑惑：这种技术能做什么？在其采用周期内如何发展？Main Street媒体上的文章描述了能够打印房屋和喷气发动机的机器，甚至提出了“每个桌面都有一个工厂”的可能性，你可以随心所欲打印任何你想要的东西。这种视觉是激动人心的，让人联想到电影《终结者2：世界末日》中的画面：复制器和天网正在用自动化三维打印机建造新的更好的终结者。但在我们开始担心世界末日前，有必要退后一步来审视增材制造（AM）的全貌，以及实现从未来到现实所需的各种技术、材料和工艺。

涉及的技术

增材制造包含一系列广泛用来制造产品、塑料、金属甚至电子材料的技术。用于增材制造塑料零件的技术可能与用于3D塑造金属或电子器件的技术截然不同。即便是处理给定的材料，不同的应用需求甚至使用不同的技术来处理（见图1）。例如，增材制造（AM）技术如光固化立体造型（SLA）、熔融沉积制造（FDM）和选择性激光烧结（SLS）在加工零件时都可使用塑料材料如感光聚合物和热塑性塑料（PLA、ABS）。

我们先了解 FDM 技术，从线圈解开塑料丝，将材料输送到能够打开和关闭流量的挤出喷嘴。喷嘴受热后熔化材料，再由C A D 模型直接创建的刀具轨迹驱动下通过运动控制机构在水平和垂直方向移动（见图2） 。接着介绍SLS【又名选择性激光熔化（SLM）或粉床】技术，在叠层工艺中使用高功率激光器来选择性地熔化塑料粉床，从而构造实体零件。埋在其中的最终结果是看不到的，直到多余的粉末被移除，零件才会露出来。通常都可以互换使用名称SLM和SLS来描述这一工艺，不过美国试验材料学会（ASTM）F42标准委员会喜欢使用激光烧结，尽管它承认这是一个误称，因为这一工艺将材料完全熔化成一个固体。每个工艺都有其优点，例如，FDM使用能承受高温、腐蚀性化学物质和强烈机械应力的产品级热塑性塑料，而SLS能制造更高分辨率的零件并且速度更快。

金属也同样能够用于AM技术如SLS（当用于金属零件时又称为直接金属激光烧结）和自由成形制造。用于金属的SLS工艺本质上和前文所述一样，除了用金属粉来代替塑料粉。然而，在自由成形制造中，工艺同时输送了原料材料（ 金属粉末或金属丝），热源（激光或电 子束）在自由空间构造零件。整个工艺 是可见的，零件是一层一层地变大。使 用沉积头将金属原料输送到热源的焦 点上，从而将金属原料生成小熔池。使 用多轴运动控制系统来移动沉积头和零 件来构造每一层。在一些应用中，使用 惰性气体或充满惰性气体的密封室来保 护零件不受空气氧化和湿气影响，从而 更好地控制构造物的性能。

激光工程化净成形技术（LENS）

LENS技术是一种在空气控制室里使用的自由成形制 造 工艺，使用粉末金属原料和激光热源。每种金属加工方法都有它的优势，例如，SLS粉床适用于复杂的几何形状和体积小的零件，而LENS技术更适合大体积零件和机械性能要求较高的应用。另外，LENS工艺可以 添 加材料到现有零件 ，适用于维修应用（参见图3）。通过LENS工艺维修或重新制造零件比焊接更好。由于LENS通过严格控制的小金属熔池进行沉积处理，零件未损坏部分的热影响区域是最小的，从而减少变形。这种级别的工艺控制使得维修能表现出出色的微观结构和性能。因为这一工艺是由计算机控制，沉积过程不需要操作员干预。LENS工艺也可以在沉积过程中将多种粉末混合在一起，使用混合或渐变材料来构造零件。这个特性适用于加速开发新合金。

印刷电子技术

印刷电子技术是另一种新兴AM技术，用于印刷电路和电子元件。AM印刷电子技术使用塑料和金属，是一种CAD驱动的工艺，避免了困难的刀具作业以及负过程带来的材料浪费。印刷电子技术最初推动了喷墨印刷、丝网印刷和凹版印刷等制图业技术的发展。最近已经为印刷电子技术研制出新的方法，如气溶胶喷射打印机。气溶胶喷射工艺首先将液态电子材料（如导电金属或聚合物油墨、电介质和半导体材料）汽化，传送给沉积头。然后引入气体通过沉积头，沉积头将汽化后的雾压缩成一个紧密的准直束以防止喷嘴堵塞。准直束聚焦在表面最多5毫米的地方，可以用来打印电气特征，比如导体、电阻、电容、绝缘体、传感器、天线甚至半导体元件。不同的喷嘴尺寸允许气溶胶喷射系统打印宽度小于10微米的高分辨率特征，或者单程打印最多一厘米宽的特征。正是因为气溶胶喷射束的长焦距，这些电子特征可以印刷在二维或三维表面（见图4）。

总流程

前文描述的AM沉积技术只是总流程的一部分，必须要有总流程，才能将新方法转变成生产实际功能零件。例如，打印塑料或金属零件可能需要后续处理来去除辅助材料或提高表面光洁度。金属零件可能需要进行进一步的处理，比如热等静压工艺来改善机械性能。当打印电子器件时，为了控制表面能量，基底在沉 积 之前可能需要进行处理，为了提升性能，在沉积之后需要另一项处理以烧结或硬化电子材料。虽然这些技术从根本上改变了制造封装，仍然必须要有新的考量和制造技能。因此，并不只是简单地装载材料、按下打印按钮然后大功告成。

组合技术

最新发展表明了组合各种AM技术来生产高度集成机电设备的潜力。将电子器件打印到塑料或金属结构的表面上甚至内部 ，可以减少重量、尺寸和装配成本，同时也提升许多设备的性能和可靠性 。例如 ，将潜 变传感器附加到燃气涡轮发动机的压缩机叶片可 以 就 地 提供健康监测系统。再比如，将功能电子器件打印到形状复杂的结构上，如无人机（UAV），有助于更快的建造、更多的定制化和更可能接近使用领域（见图 5 ）。使用组合AM技术来建 造 这些“智能结构”还处于起步阶段。今天，这些工艺还是串行的，但不难想象一个集成的A M 机器能够打印一个全功能的智能结构。许多挑战依然存在，如工艺兼容性、表面处理、材料兼容性以及后期处理，在此就不一一列举。