聚合物積層製造技術

第1章　積層製造基礎知識

　　以資訊技術為核心的科技產業變革已經出現，全球製造業孕育著從製造技術體系、製造模式到產業價值鏈的巨大變革，供需模式正由標準化批量生產轉變為大規模個性化定製。積層製造技術是始於1980年代的一種新型製造技術，是一種數位及資訊資源驅動的高新技術，被譽為「具有工業革命意義的製造技術」，一經問世就受到工業界的廣泛關注。

　　英國《經濟學人》雜誌認為它將「與其他數位化生產模式一起推動實現第三次工業革命」，美國《時代》週刊將積層製造列為「美國十大成長最快的工業」。美國麥肯錫管理顧問公司發布的「展望2025」報告中將積層製造技術列入決定未來經濟發展的12大顛覆性技術之一。中國的積層製造技術則是從1990年代開始的。

1.1 積層製造的定義

　　積層製造（additive manufacturing, AM）技術是採用材料逐漸累加的方法製造實體零件的技術，能實現高度複雜結構製品的自由「生長」成形，相對於傳統的材料去除-切削加工技術，是一種「自下而上」的製造方法。積層製造技術可極大地滿足產品輕量化與高性能的設計需要，極大地解放了製造技術對於設計的限制。積層製造技術又稱為快速成形技術，現統稱為3D 列印技術（3D printing technology）。本書後面也將積層製造技術統稱為3D列印技術。

　　美國材料與試驗協會ASTM （American Society for Testingand Materials）F42國際委員會將3D列印技術（積層製造技術）定義為：基於3D模型數據，採用與傳統的減法製造技術相反的逐層疊加的方式生產物品的過程，通常透過電腦控制將材料逐層疊加，最終將電腦上的三維模型變為立體實物，是大批量製造模式向個性化製造模式發展的引領技術。從廣義上來看，以各種設計數據為基礎，將各種材料（包括ABS、PLA，甚至各種細胞等）採用逐層疊加的方式，形成所希望得到的實體結構的技術，都可以稱作積層製造技術。

1.2 3D列印的優缺點

　　與傳統製造技術相比，3D列印有如下優點。

　　① 賦予設計環節極高的靈活性　傳統製造技術和工匠製造的產品形狀有限，產品成形受制於所使用的設備和工具。3D列印可以突破這些侷限，能夠製造出傳統製造技術製造不出來的、非常複雜的形狀，甚至可以製作目前可能只存在於自然界的形狀，為設計師開闢了巨大的設計空間，避免了設計的作品和零件無法製造的尷尬，為產品輕量化、高性能化、藝術化提供了技術保證。

　　② 能實現手版的快速製造　運用3D 列印技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物製品（樣件），避免了傳統製造技術製造模具高昂的成本和較長的生產週期。此外，將3D列印技術與傳統的模具製造技術相結合，可以大大縮短模具製造的開發週期，從而縮短了產品的成形週期，提高生產率；將3D列印技術與傳統鑄造技術結合，亦可縮短鑄造零件的供貨週期。

　　③ 材料利用率高　基於積層製造原理，由於原料和實體的材料相同，可根據生產需要訂購材料，材料的利用率非常高。同時，廢品可以進行回收，經過處理再回收到系統中去，進一步提高了材料的利用率。

　　④ 實現多零件組件一體化製造　傳統的大規模生產是建立在產業鏈和流水線基礎上的，在現代化工廠中，機器生產出相同的零部件，然後由工人進行組裝。產品組成部件越多，供應鏈和產品線都將拉得越長，組裝和運輸所需要耗費的時間和成本就越多。使用3D列印技術，由於無需考慮製造對設計的約束，可以將傳統多零件組件一體化製造，使產品無需組裝，簡化生產流程，降低生產成本，減少勞動力。

　　⑤ 便捷性　與傳統製造技術相比，3D列印技術不需要刀具、夾具、機床或者任何模具，就可以把電腦中設計的三維模型轉化為實體。因此，3D列印所需要的機器資源更少，技術工人也更少。3D 列印能直接列印組裝好的產品，省去了人工組裝的成本。

　　雖然3D列印有以上的種種優點，但也存在以下幾個方面的不足之處。

　　① 在規模化生產方面尚不具備優勢　目前，3D列印技術尚不具備取代傳統製造業的條件，在大批量、規模化製造等方面，高效、低成本的傳統減材製造法更勝一籌。現在看來，想用3D列印作為生產方式來取代大規模生產不太可能。且不說3D列印技術目前尚且不具備直接生產像汽車這樣複雜的混合材料產品，即使該技術在未來取得長足進步，完全列印一輛車只怕要耗時好幾個月，在成本上遠遠高於大規模生產汽車時均攤到每輛汽車上的成本。但是，如果能恰到好處地使用3D列印技術，可進一步提升產品的製造效率。

　　② 列印材料的限制　材料的限制主要表現為兩個方面：一方面，目前的3D列印技術可列印的材料種類有限，主要包括塑膠、石膏、陶瓷、砂和金屬等，還無法完全適應工業生產中所需的各種各樣的材料的列印，這使得3D列印技術只能應用於一些特定場合；另一方面，針對特定的3D印表機，可列印的材料種類更是特定的幾種或幾類，這使得針對每種或每類材料，都需要設計專屬的3D印表機。

　　③ 品質和精度有待進一步提高　首先是品質問題，由於3D 列印採用「分層製造，層層疊加」的積層製造工藝，屬於「無壓製造」，層與層之間的結合再緊密，也無法和傳統模具整體澆鑄而成的「有壓製造」零件相媲美。零件材料的微觀組織和結構決定了零件的物理性能，如強度、剛度、耐磨性、耐疲勞性、氣密性等大多不能滿足工程實際的使用要求。

　　其次是精度問題，由於3D列印技術已有的成形原理及工藝尚不完善，其列印成形的零件精度包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度都有待進一步提高，大多不能作為功能性零件使用，只能作為原型件使用，從而使其應用範圍變窄。

1.3 3D列印的分類

　　目前，在國際上比較認可的3D列印分類方法是美國材料與試驗協會（ASTM）F42國標委員會制定的分類標準ASTM F2972。基於ASTM F2972標準，可以將3D列印工藝分為7種類型：熔融沉積成形技術（fused deposition modeling）；光固化成形技術（vat photopolymerization）；粉末床熔融成形技術（powder bed fusion）；材料噴射成形技術（material jetting）；黏合劑噴射成形技術（binder jetting）；定向能量沉積技術（directenergy deposition）；積層成形技術（sheet lamination）。

（1）熔融沉積成形技術
　　熔融沉積成形技術，標準ASTMF2972中稱為「material extrusion」，直譯為「材料擠出」，顧名思義就是基於材料擠出工藝的積層製造技術，業內通常稱為熔融沉積成形技術（fused deposition modeling, FDM）。熔融沉積技術是最常用的3D列印工藝之一，其原理是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，再透過一個帶有細微噴嘴的噴頭擠出來，擠出來的熱熔材料沉積在底板上或者前一層已經固化的材料上，溫度低於固化溫度時，材料就會固化，透過熱熔性材料的層層沉積，最終將製品成形。

（2）光固化成形技術
　　光固化成形技術是一類利用光敏材料在光照射下固化成形的3D列印技術，列印材料主要是光敏樹脂，一般為液態。列印過程主要是利用紫外線光固化每一層所需要固化樹脂的區域，而平臺在每一層固化完成後向下移動已經固化的實體，直到最後整個實體完成成形。

（3）粉末床熔融成形技術
　　粉末床熔融成形技術通常被稱為鋪粉式3D列印技術。其原理是先利用水平鋪粉輥將粉末平鋪到印表機的基板上，再透過雷射束（電子束）按照CAD分層模型所獲得的數據，對基板上的粉末進行選擇性的熔化，加工出當層模型的區域。然後下降一個層高，進行下一層區域的成形。

（4）材料噴射成形技術
　　材料噴射成形技術是利用噴嘴噴出材料液滴，液滴沉積在工作平臺上或者沉積在上一層材料上，並使得上一層的材料部分軟化，從而使兩層材料很好地結合在一起，當所有層都結合在一起後，最終形成3D列印零件。材料噴射成形技術原理與黏合劑噴射成形技術原理類似。

（5）黏合劑噴射成形技術
　　黏合劑噴射成形技術又被稱為三維印刷（Three-Dimensional Printing, 3DP）。這種工藝採用兩種材料：一種是粉末材料，另一種是液態的黏合劑，透過列印頭的噴嘴將液態的黏合劑噴到粉末裡，從而將一層粉末在所選擇的區域裡進行黏合，層與層之間也會透過黏合劑的滲透作用黏結在一起。

（6）定向能量沉積技術
　　定向能量沉積技術是透過金屬粉末或者金屬絲在產品的表面上熔融固化來製造工件的，雷射或電子束能量源在沉積區域產生熔池並高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔區，熔化後逐層沉積。從粉末的運輸方式上來說，通常被稱為送粉式3D列印。

（7）積層成形技術
　　積層成形技術又被稱為薄材疊層技術，其原理是位於上方的切割工具首先按照分層CAD模型所獲的數據，將一層薄層材料按零件的截面輪廓進行切割；然後，新的一層紙疊加在工作平臺或上一層材料上，用切割工具再次進行切割；切割時工作檯連續下降，直至完成零件的製作；切割掉的紙仍留在原處，起支撐和固定作用；最後，讓單面塗有熱熔膠的捲筒紙透過熱壓裝置實現層層黏合。主要材料是可黏結的帶狀薄層材料（如塗覆紙、PVC卷狀薄膜），切割工具通常為雷射束和刻刀。

第1章　積層製造基礎知識

　　以資訊技術為核心的科技產業變革已經出現，全球製造業孕育著從製造技術體系、製造模式到產業價值鏈的巨大變革，供需模式正由標準化批量生產轉變為大規模個性化定製。積層製造技術是始於1980年代的一種新型製造技術，是一種數位及資訊資源驅動的高新技術，被譽為「具有工業革命意義的製造技術」，一經問世就受到工業界的廣泛關注。

　　英國《經濟學人》雜誌認為它將「與其他數位化生產模式一起推動實現第三次工業革命」，美國《時代》週刊將積層製造列為「美國十大成長最快的工業」。美國麥肯錫管理顧問...

第1章 積層製造基礎知識
　　1.1 積層製造的定義
　　1.2 3D列印的優缺點
　　1.3 3D列印的分類
　　1.4 3D列印的標準
　　參考文獻
第2章 熔融沉積成形技術
　　2.1 熔融沉積成形技術的原理、 設備和材料
　　　　2.1.1 熔融沉積成形原理
　　　　2.1.2 熔融沉積成形設備
　　　　2.1.3 熔融沉積成形材料
　　2.2 熔融沉積成形製品品質的影響因素
　　　　2.2.1 傳動結構對製品品質的影響
　　　　2.2.2 材料種類對製品品質的影響
　　　　2.2.3 工藝參數對製品品質的影響
　　2.3 熔融沉積成形技術的優缺點
　　2.4 基於熔融沉積成形原理的創新工藝
　　　　2.4.1 熔體微分3D列印工藝
　　　　2.4.2 多色3D列印工藝
　　　　2.4.3 多材料3D列印工藝
　　　　2.4.4 金屬3D列印工藝
　　　　2.4.5 建築材料3D列印工藝
　　　　2.4.6 陶瓷3D列印工藝
　　　　2.4.7 玻璃3D列印工藝
　　　　2.4.8 食品3D列印工藝
　　　　2.4.9 生物3D列印工藝
　　　　2.4.10 4D列印
　　參考文獻
第3章 光固化成形技術
　　3.1 光固化成形原理
　　　　3.1.1 立體光刻技術
　　　　3.1.2 數位光投影技術
　　　　3.1.3 立體光刻技術和數位光投影技術的對比
　　3.2 奈米光電轉換材料
　　　　3.2.1 光敏樹脂性能要求
　　　　3.2.2 影響光敏樹脂性能的因素
　　　　3.2.3 常見光敏樹脂
　　3.3 光聚合反應
　　　　3.3.1 自由基聚合
　　　　3.3.2 陽離子聚合
　　3.4 光聚合反應
　　　　3.4.1 立體光刻技術
　　　　3.4.2 數位光投影技術
　　　　3.4.3 連續液體介面提取技術
　　　　3.4.4 液晶固化成像成形技術
　　　　3.4.5 容積成形技術
　　3.5 常見設備及其性能
　　3.6 光固化成形的技術進展
　　　　3.6.1 光敏樹脂研發進展
　　　　3.6.2 光固化陶瓷新材料研發進展
　　參考文獻
第4章 粉末床熔融成形技術
　　4.1 粉末床熔融成形原理、 特點和設備
　　　　4.1.1 選擇性雷射燒結技術
　　　　4.1.2 選擇性雷射熔融技術
　　　　4.1.3 電子束熔融技術
　　4.2 粉末床熔融成形適用材料
　　　　4.2.1 高分子基粉末
　　　　4.2.2 陶瓷基粉末
　　　　4.2.3 金屬基粉末
　　4.3 粉末床熔融成形的影響因素
　　　　4.3.1 工藝參數
　　　　4.3.2 粉末特性
　　參考文獻
第5章 材料噴射成形技術
　　5.1 材料噴射成形技術的基本原理
　　5.2 液滴的形成機理與分類
　　5.3 材料噴射成形材料
　　　　5.3.1 聚合物
　　　　5.3.2 金屬
　　　　5.3.3 陶瓷
　　　　5.3.4 水凝膠
　　　　5.3.5 生物材料
　　5.4 材料噴射成形技術的優缺點
　　5.5 材料噴射成形設備
　　　　5.5.1 聚合物噴射成形設備
　　　　5.5.2 金屬噴射成形設備
　　　　5.5.3 陶瓷噴射成形設備
　　參考文獻
第6章 黏合劑噴射成形技術
　　6.1 黏合劑噴射成形技術的基本原理
　　6.2 黏合劑噴射成形技術的優缺點
　　6.3 黏合劑噴射成形技術的適用材料
　　　　6.3.1 黏合劑
　　　　6.3.2 列印材料
　　6.4 黏合劑噴射成形設備
　　　　6.4.1 鋪粉系統
　　　　6.4.2 噴射系統
　　　　6.4.3 三維運動系統
　　6.5 黏合劑噴射工藝控制系統
　　　　6.5.1 單色切片
　　　　6.5.2 彩色切片
　　6.6 黏合劑噴射成形的技術進展
　　　　6.6.1 成形過程研究進展
　　　　6.6.2 砂型列印技術進展
　　　　6.6.3 後處理工藝研究現狀
　　參考文獻
第7章 定向能量沉積技術
　　7.1 定向能量沉積技術的基本原理
　　7.2 定向能量沉積技術的適用材料與設備
　　7.3 定向能量沉積技術的優缺點
　　7.4 定向能量沉積技術的應用領域
　　　　7.4.1 石油行業
　　　　7.4.2 軍事領域
　　參考文獻
第8章 積層成形技術
　　8.1 分層實體製造技術
　　　　8.1.1 分層實體製造技術原理及過程
　　　　8.1.2 分層實體製造技術優缺點
　　8.2 超音積層製造技術
　　8.3 積層成形技術的適用材料
　　　　8.3.1 分層實體製造技術的成形材料
　　　　8.3.2 超音積層製造技術的成形材料
　　參考文獻

第1章 積層製造基礎知識
　　1.1 積層製造的定義
　　1.2 3D列印的優缺點
　　1.3 3D列印的分類
　　1.4 3D列印的標準
　　參考文獻
第2章 熔融沉積成形技術
　　2.1 熔融沉積成形技術的原理、 設備和材料
　　　　2.1.1 熔融沉積成形原理
　　　　2.1.2 熔融沉積成形設備
　　　　2.1.3 熔融沉積成形材料
　　2.2 熔融沉積成形製品品質的影響因素
　　　　2.2.1 傳動結構對製品品質的影響
　　　　2.2.2 材料種類對製品品質的影響
　　　　2.2.3 工藝參數對製品品質的影響
　　2.3 熔融沉積成形技術的優缺點
　　2.4 基於...