「AI哲学」让人类“为自身立命”与“为AI立心”。

3D打印诞生于20世纪80年代，近些年已得到快速发展和成熟完善，其用于将虚拟世界中任意复杂的3D数字化模型变成客观世界中真实存在的3D实体。3D打印，又称快速成型（RP，Rapid Prototyping）、增材制造（AM，Additive Manufacturing），是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在将3D数字化模型输出到3D打印机之前，需要对3D模型进行分层，切成数百上千个薄层，这相当于高等数学里的微分操作。然后将描述这些薄层的数字化文件输出到打印机，3D打印机逐层打印出来，这又相当于高等数学里的积分操作，直到将整个形状叠加成型。

3D打印采用分层加工、叠加成型，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术（如用机床切削）完全不同。之所以称之为“打印机”，是因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似，组成上也都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等构成的。

说得简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体，如下图所示。在3D打印时，软件通过计算机辅助设计技术（CAD）完成一系列数字“切片”（Slice），并将这些切片的信息传送到3D打印机上，然后将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。本质上，3D打印将一个复杂的三维加工转变为一系列二维切片的加工，这种“降维制造”方式大大降低了加工难度。此外，3D打印机与传统2D打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是可以在3D空间堆叠的构造原材料，而不仅仅是显示在一张平面的纸上。

图5-1  3D打印机的“分层加工、叠加成型”工作原理图（图片来源：blogspot）

传统的“去材加工”机床是在做“减法”（减材成型），也即通过切、削、车、铣、磨等工艺将一块物料上不需要的地方去掉，但这就存在着“伸不进、够不着”的问题，因此不能加工任意复杂的中空形状，而且去掉的物料也被浪费掉了。作为对比，3D打印这种一层一层堆积起来做“加法”的工艺（增材成型）具有如下优点：不需要刀具、模具，所需工装、夹具大幅度减少；生产周期大幅度缩短；可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构；材料利用率大幅度提高。因此，3D打印特别适合于复杂结构的快速制造、个性化定制、高附加值的产品制造。同时，由于可以生成任意复杂的产品形状，因此在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，而无须考虑加工问题，解决了复杂精细零部件的设计和制造难题。

提示：因为3D打印有X、Y、Z这3个空间维度，所以满足所谓的“三次方增加规律”。比如物品的每个维度（长、宽、高）都增大到2倍，则体积将增大到2³=8倍！也即从时间、材料到成本的需求数量都是呈指数增长的，有时甚至能达到三次方增长。所以说，如果我们需要2倍大的东西，那么就得花8倍的时间、花8倍的材料、花8倍的钱来打印。

3D打印的主流技术包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。比如，FDM是把塑料熔化成半融状态拉成丝，用线来构建面，一层一层堆起来；而光固化SLA是把本来液态的光敏树脂，用紫外激光照射，照到哪儿，哪儿就从液态变成了固态。SLS和SLA理论上是一样的，不同的是SLS用激光去烧结粉末，如尼龙粉、金属粉等。

下面，我们就对各种主流3D打印技术做一个通俗易懂的介绍。

  5.14.2、FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造）

FDM（Fused Deposition Modeling），熔融沉积成型。因为FDM已被Stratasys注册商标，所以其他厂商将其改称为熔丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF）、塑料喷印（PJP）、熔丝建模（FFM）等等。该工艺属于“丝材挤出热熔成型”这一大类。

FDM技术是20世纪80年代时Scott Crump发明的。在获得该项技术的专利后，他于1989年建立了Stratasys公司。FDM的技术原理是，如下图所示，将丝状（直径约2mm）的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6 mm），材料以一定的压力挤喷出来，同时喷头沿水平方向移动，挤出的液滴与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台垂直下降一个层的厚度，再继续熔融沉积，直至完成整个实体造型。FDM工艺使用两种材料：一种是制作实体部分的成型材料；另一种是支撑材料，以防空腔或悬臂部分坍塌。

图5-1  FDM的技术原理（图片来源：thre3d.com）

形象地说，FDM的原理就像蚕吐丝或挤牙膏那么简单，且无须激光系统，因而价格低廉。现在市场上的桌面级3D打印机（如RepRap、Ultimaker、MakerBot）大多数采用这种工艺，最便宜的不到1万元即可买到。FDM使用的丝状耗材以及打印案例如下图所示。

图5-2  FDM使用的丝状耗材以及打印案例（图片来源：MakerBot）

  5.14.3、3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积）

  5.14.4、SLS：选择性激光烧结

  5.14.5、SLA：光固化立体成型（立体光刻）

  5.14.6、PolyJet：多头喷射技术（Material Jetting：材料喷射）

  5.14.7、DLP：数字光处理

  5.14.8、LOM：分层实体制造

  5.14.9、SLS、SLM和DMLS技术

    5.14.9.1、选择性激光烧结（SLS）技术

    5.14.9.2、选择性激光熔化（SLM）技术

    5.14.9.3、直接金属激光烧结（DMLS）技术

  5.14.10、LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF：激光近净成型

  5.14.11、EBM：电子束熔炼

  5.14.12、EBDM：电子束直接制造

  5.14.13、金属3D打印技术小结

在2.2.4节中，我们已提到SLS工艺用于金属打印。3D打印金属是近年来发展很快的一个方向，也是各国都乐意花大力气扶持的一个方向。目前，不少金属3D打印机都已经能生产非常坚固的结构件、应力件和功能件，成为3D打印家族中最有可能直接用于制造的技术，应用也可遍及航空航天、医疗保健、仪器制造、电子行业等各个领域。下面就稍稍盘点一下那些神奇的金属3D打印机们。

虽然不同的厂商都为自己的金属打印工艺注册了各种商标名称，叫法有所不同，但其实原理是相似的，都是逐层连续铺设金属粉末，然后将其中的一些金属颗粒固定在一起，以形成最终的物体，原理如图2-20所示。

图2-20  金属3D打印原理图（这里为激光近净成型工艺LNSF）（图片来源：西安铂力特）

金属打印主要分为三大类：激光烧结技术（Laser Sintering）是使用激光束选择性加热粉末颗粒使其融合；而黏结剂喷射（Binder Jetting）金属打印技术的领军企业是ExOne，黏结剂被选择性地喷射到多层的不锈钢、青铜、钨粉末上，然后将初步黏结而成的物体放置在熔炉中注入额外的熔融金属固化；但是，激光烧结或黏结剂喷射技术形成的物体并不是100％的致密，电子束熔炼（EBM，Electron Beam Melting）利用电子束选择性地融合粉末金属层解决了这个问题。下面，我们对各种金属3D打印技术进行详细介绍。

提示：在打印过程中，快速加热熔融的金属会快速冷却并凝固（这一过程非常迅速，大约只有几微秒），这样必然会造成残留应力。残留应力具有破坏性，造成组件破坏性开裂或加工托盘变形。为了尽可能减小残留应力，我们可以改变扫描策略，比如采用迂回扫描模式（完成每层扫描后旋转67°，适合小、薄特征）、棋盘扫描模式（每层分为若干个5x5 mm的岛状区域，完成每层扫描后将整体模式和每个岛状区域旋转67°，适合大型零件）、条纹扫描模式等。

图2-20  残留应力造成的零件破坏（图片来源：雷尼绍、3D科学谷）

这3种技术只是专利名称和技术细节上有所不同，从原理上讲却都大同小异。大体上都是指将粉末状的材料（通常是金属材料）铺一层在工作台上，并将材料加温至略低于熔点，然后用高能激光束将金属粉末熔化并与上一层融合成一个实心整体，而未被扫描到的粉未材料仍呈粉状作为工件的支撑，一层扫描完成之后，工作台下降一个层高，再铺下一层粉末，重复上述过程一层层累积直至完成三维成型。

在2.2.4节，我们已介绍过SLS。选择性激光烧结技术（SLS）使用激光束选择性加热粉末颗粒使其融合，精度为0.1～0.2mm。具体来讲，SLS采用的是一种金属材料与另一种低熔点材料（可以是低熔点金属或有机黏结材料）的混合物，在加工过程中，低熔点材料熔化或部分熔化，但熔点较高的金属材料并不熔化，而是被熔化或部分熔化的低熔点材料包覆黏结在一起。因此，形成的三维实体为类似粉末冶金烧结的坯件，实体存在一定比例的孔隙，不能达到100%密度，力学性能也较差，常常还需要经过高温重熔或渗金属填补孔隙等后处理才能使用。

SLS技术由美国得克萨斯州立大学的Carl Deckard博士和Joe Beaman博士于20世纪80年代中期研发。后来他们俩成立了DTM公司专门研发SLS机器，2001年DTM公司被3D Systems公司收购。因此SLS技术的代表机型当之无愧的是3D Systems公司的sPro 60SD、60HD、140和230这4款机型，如图2-21所示。 

图2-21  3D Systems公司的SLS打印机sPro

SLM（Selective Laser Melting），选择性激光熔化。SLM是在选择性激光烧结（SLS）技术基础上发展起来的，但又区别于SLS。SLS工艺中粉体未发生完全熔化，成型件中含有未熔固相颗粒，直接导致内部疏松多空、致密度低、力学性能差、表面粗糙度高等工艺缺陷。为获取全致密的激光成型件，同时也受益于2000年之后激光快速成型设备的长足进步（表现为先进高能光纤激光器的使用、铺粉精度的提高等），SLM工艺迅速发展起来。相比于SLS（几乎可以说只是在烤金属粉末），SLM不依靠黏结剂而是直接用激光束完全熔化粉体，成型性能（产品的表面质量和稳定性）得以显著提高。经SLM净成型的构件，成型精度高，综合力学性能优（与锻件性能相当），可直接满足实际工程应用，在生物医学移植体制造领域具有重要的应用，如图2-22所示。

图2-22  SLM技术制造的精细复杂孔洞样件 （图片来源：德国Fraunhofer、Concept Laser）

SLM关键技术特点体现在如下几个方面。

◆ 直接制造高性能金属零件，省掉中间过渡环节；生产出的工件经抛光或简单       表面处理可直接做模具、工件或医学金属植入体使用。

◆  可得到冶金结合的金属实体，密度接近100%；SLM制造的工件有很高的拉伸      强度。

◆ 由于SLM工艺采用的激光束光斑细小，产品具有很高的尺寸精度（精度可达       0.02mm）、较低的粗糙度，高于SLS的工艺水平。

◆  适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构（如空腔）、用传       统方法无法制造的复杂工件。

◆  主要缺点有金属球化、翘曲变形及裂纹等，还面临成型效率低、可重复性及       可靠性有待优化等问题。

◆  SLM最大的问题在于熔化金属粉末时，零件内部易产生较大的应力，复杂结       构需要添加支撑以抑制变形的产生。此外，零件性能的稳定性控制较为困难。

SLM技术由德国夫琅和费学院于1995年与当时的F&SStereolithographietechnik公司合作研发并申请获得相关专利。如今，SLM技术的创始人Dieter Schwarze博士在SLM Solutions公司。SLM Solutions公司出品的SLM500机型如图2-23所示。

3D Systems公司也出品了采用SLM技术的金属3D打印机：sPro 125和250。3D Systems 公司称它们为直接金属选择性激光熔融3D打印机。它们能生产高精度、高复杂度的金属零件。打印层厚可达20mm，可打印的金属包括钛、不锈钢、钴铬合金、工具钢等，所以能够应用在航空领域以及医疗保健领域（比如为整形外科、颌面修复和牙科治疗提供植入产品）等。

图2-23  SLM Solutions公司出品的SLM500机型

此外，德国的Concept Laser公司也拥有一项本质上与SLM相同的技术，并将其起了个新的品牌名字：激光熔化（LaserCUSING）。

DMLS（Direct Metal Laser Sintering）技术由德国EOS公司开发，基本原理是SLS的进一步发展，把热塑料黏结剂（塑料、尼龙、陶瓷等）改为金属黏结剂就是DMLS。此外，DMLS是边铺粉边烧结的，而SLS是先铺整层粉末，然后激光扫描烧结的。DMLS与SLS本质上是相同的，即只是烧结（烧烤）而不是真正的熔化金属粉末。

在DMLS工艺中，由于粉末的颗粒度很细，最小叠层厚度仅为0.02mm，因此制成的模具或零件的精度很高。这种方法制造的模具如果采用抛光处理，可以达到近似镜面的表面质量，成为高质量的模具，同时具有良好的机械性能，接近一般锻造构件。EOS公司出品的EOSINT M 系列机型非常类似3D Systems公司的sPro系列机型，能打印铝、钴铬合金、钛、镍合金和钢。DMLS的打印案例如图2-24所示。

图2-24  DMLS的打印案例：随形冷却模具 （图片来源：idnovo）

这节要介绍的这项工艺被不同的厂商冠以不同的别名，如激光工程化净成型（LENS，Laser Engineered Net Shaping）、激光近净成型（LNSF）、直接金属沉积（DMD，Direct Metal Deposition）、激光粉末成型（LPF，Laser Powder Forming）、激光固结（LC，Laser Consolidation）、激光熔覆沉积技术（LMD），此外还被称为直接光制造（DLF，Directed Light Fabrication）。与SLM、DMLS等工艺用激光照射预先铺展好的金属粉末不同，如图2-5所示，在LENS工艺中，激光照射喷嘴输送的粉末流，即激光与输送粉末同时工作，将熔覆材料直接送入激光中，因此无需粉床。最早由西班牙Sandia国家实验室研发，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，同时将沉积材料（金属粉末或丝材）直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，被称为激光直接沉积增材制造技术，工艺流程还可参见2.4节中的图2-28。目前该工艺在国内使用比较多。

图2-5  LENS的技术原理（图片来源：thre3d.com）

LENS可直接（无需粉床）近净成型出全致密的金属零件或毛坯，并可实现非均质和梯度材料制件的制造。相比于SLM工艺，该工艺成型效率高，在直接制造航空航天、船舶、机械、动力等领域中大型整体构件方面具有突出优势，目前性能达到甚至超过锻件（对于钛合金而言）。但由于没有粉床的支撑功能，导致对复杂结构的成型较为困难，且成型精度略低，这也是其被称之为近净成型的原因（即接近精确的净尺寸尚有一定的差距），适合制作比较大且精度要求不是太高的工件。由于采用的激光光斑较粗，一般加工余量为3～6mm。此外，该工艺成型过程中热应力大，制件易开裂，精度较低，成型形状较简单，不易制造带悬臂的制件，且粉末材料利用率偏低（特别对于价格昂贵的钛合金粉末和高温合金粉末，其成本因素不可忽视）。

LENS技术除了制作新模型，同时也善于修补和在已有物件上二次添加新部件，因此应用面更加广泛。能打印不锈钢、殷钢和钛。采用LENS技术的代表机型是来自Optomec公司的LENS 850R。LENS打印机以及加工叶片的过程如图2-26所示。

图2-26  LENS打印机以及加工叶片的过程（图片来源：Optomec）

  提示：实际上，本节所介绍的工艺可被更广义地称为激光熔覆成型（LCF，Laser Cladding Forming），即将快速原型制造技术和激光熔覆（涂覆）表面强化技术相结合，利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合。

在进行金属构件的激光增材制造中，有两大难点：如何消除温度剧烈循环变化导致的热应力，只有控制好内应力才能避免大型构件的严重变形或开裂，这样才能“做大”；另外由于冶金、凝固和固态相变过程超常复杂，如何控制内部质量，减少内部缺陷，这样才能“做好”。如果不解决这些问题，即使经过HIP（Hot Isostatic Pressing，热等静压）、锻造等后续致密化加工，构件的疲劳等关键力学性能仍会低于锻件，导致难以用作关键或主承力构件。

在设计一个金属粉末打印系统时，首先需要考虑金属粉末材料与激光相互作用。激光与粉末材料的能量转换遵循能量守恒定律，激光能量按传递方式大致可分为三大部分：一部分能量被金属粉末材料表面反射，加热周围环境，属于损失的激光能量；一部分能量被激光作用区域内粉末吸收，用于金属粉末的熔化，属于粉末材料表面直接吸收的激光能量；其余一部分激光能量透射传递给下面的材料，逐步被吸收，使熔覆层具有一定的厚度，属于粉末层传递的能量。以上三项用公式可表示为：

其次，还要考虑能量在金属粉末中的传导。对金属粉末而言，颗粒间的接触热导率在粉床的有效热导率中占主导地位。实验和理论计算都表明，在粉末成形过程中激光的有效利用率很低，说明在成形过程中只有很少的热量用来使粉末材料和基材表层熔化。一般来说，激光只在0.01～0.1mm的厚度范围内被吸收并转化为热能，使金属表面温度升高，而更多的内部金属温度升高则是通过金属的热传导方式进行的。金属粉末的导热率低，其有效的热传导率是温度和密度的函数：

式中： 为在温度时固体的热传导率，是粉末密度，是固体密度。在金属粉末激光熔覆成形试验中，粉末的密度一般只有固体密度的20%～40%，从式中可看出，粉末的热传导率只有固体的20%～40%（实际上，金属粉末的实测导热率还要远比理论计算值低，甚至低1000多倍），也就是说，粉床的热传导比熔化金属块要花费更长的时间，也需要更多的热量。

此外，我们还需要对激光器的功率进行选型，这就设计到金属粉末激光熔覆功率密度极值的计算。对于各相同性的均匀材料，热传导偏微分方程的一般形式是：

式中：为材料密度；为比热容；为温度；为时间；为材料的导热率；

为材料单位时间单位体积的发热量，激光加工中一般不存在体积热源，故

。给定方程的初始条件，并定义边界条件：

其中为材料表面对激光的吸收系数。联合求解上面两个式子就可以分别计算出激光器对材料表面产生熔化和汽化的熔覆功率密度极值了，即

。以脉冲Nd：YAG激光器为例，脉冲激光熔覆试验功率密度由下式决定：

其中为激光能量密度（），为激光功率（），为激光光斑直径（），    为脉宽（）， 为频率（）。将前面计算得到的极值能量分别代入公式 ，即可得到激光熔覆合金粉末的激光器功率范围了，即。

除了上面提到的金属3D打印技术，还有UAM（ Ultrasonic Additive Manufacturing，超声波增材制造，也被称为Ultrasonic Consolidation、UC，精度0.013mm，如图2-29左边所示，原理与LOM类似都属于片材分层加工）、IFF（Ion Fusion Formation，离子熔化成型，如图2-29右边所示，原理类似于EBDM、LPF，造价相对便宜但速度相对较慢）等等，在此就不详细做一一介绍了。

图2-29  UAM（左图）和IFF（右图）的技术原理（图片来源：thre3d.com）

最后，我们对金属3D打印进行一个小结。金属3D打印使得产品“直接制造”成为了可能，而不再局限于制造非功能性的模具。随着机械性能的不断提升，零件的致密性、强度已经与锻件基本相当，将来甚至还会有所超越。

然而，目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，都必须经过进一步的机械加工，去除表面多余的不连续的不光滑的金属，才能作为最终使用的零件，因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但却无法对这些管路和腔体内部进行机械加工。因此，3D打印虽可一步直接完成很多复杂零件的成型，但其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

目前金属打印生成的零件表面精度一般在0.1～5mm之间。相比之下，目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在1200dpi左右，即0.02mm，这个精度可以获得近似光滑的曲面。而要把金属3D打印精度提高到0.1mm以下还有很大困难，不过铺粉预处理、激光超快速熔化和凝固等技术的出现会为提高激光成型的精度提供很大的帮助。

此外，目前金属激光打印的速度还是较慢的，每小时打印重量大多数都在1kg以下，快一些的也不过9kg/h左右；若改用电子束直接制造技术（EBDM），最快也只有20kg/h。要实现工业化生产，特别是大规模化生产，这个速度是不够的。现在的激光成型基本还是单光头单层铺粉作业，未来为了提高打印速度和应对超大型构件打印，可设计多光头多层铺粉同步打印。

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