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摘 要：增材制造技术近年来受到越来越多的关注，3DP技术就是其中的一种。3DP技术利用喷射粘结剂粘结粉末形成制件实体，具有成形材料范围广、制造速度快、可实现全彩色制造的特点。其未来的研究重点将集中在硬件及控制、材料开发和应用三个方面。
关键词：3DP；技术原理；现状；研究方向
近十年来，增材制造（又称快速成型、三维打印）技术受到越来越多的关注，其独特的制造原理，实现“自由制造”，尤其擅长复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。
粉材喷液技术（3DP）作为增材制造技术的一种，于上世纪80年代末由MIT科学家提出，90年代中期即实现了商业化销售，现状及前景都被研究人员看好。
1. 技术原理
所有增材制造技术都共享离散-堆积的成形原理，即将零件的整体制造转化为众多横截面的制造，每层堆积最后成为实体。众多技术的区别在于如何实现单层，即一个横截面信息的制造。3DP采用的方法利用喷头喷射液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的粉末成形。
具体工作过程如下：喷头在控制系统的控制下，按照所给的一层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性的喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成一层截面薄层；在每个薄层成形后，工作台下降一个层厚，进行铺粉操作，继而再喷射粘结剂进行薄层成形；不断循环，直至所用薄层成形完毕，层与层在高度方向上相互粘结并堆叠得到所需三维实体制件。
一般情况下，打印所得到的制件还需要进行后处理，对于无特殊强度要求的模型制件，后处理通常包括加温固化以及渗透定型胶水。而对于强度有特殊要求的结构功能部件以及各类模具，在对粘结剂进行加热固化后，通常还要进行烧结，以及液相材料渗透的步骤以提高制件的致密度，从而达到各类应用对于强度的要求。
2. 现状
美国的Z Corporation公司与上世界90年代中期推出了全世界第一款商业化3DP设备，以后一直保持了在该领域的技术优势。其在2012年被全球最大的增材制造设备生产商3D Systems公司收购，作为3D Systems公司的一个分公司继续进行商业活动。其Z printer 和Projet两系列3DP设备是目前市场上最受欢迎的产品之一。
目前市场上领先的3DP设备还有德国VoxelJet公司的VX系列，以及同样来自德国的Exone公司的M系列产品。这几种设备各自有自己的优势，Z printer/Projet系列仍是市场上唯一可以自由实现全彩色制造的增材制造设备；而VX系列是目前市场上成形精度最高、制造速度最快的产品；Exone公司则专攻金属制造，M系列设备制造的金属零件可以在简单处理后直接作为工业用品使用，这是其他3DP设备目前所不能达到的。
根据Gartner咨询公司和Wohlers Associates咨询公司给出的统计：在2007年，全球市场上售出的3DP设备数量为3651台，而这个数字到2013年超过了20万。如此突飞猛进的增长，除了受到增材制造技术整体受到关注外，3DP自身的特点也是一个重要的因素。
3DP技术的成形材料和应用领域范围极广，包括原型制件应用材料，例如尼龙粉末，ABS粉末，石膏粉末；模具应用材料，例如各种金属粉末，陶瓷粉末，以及用于砂模铸造的各种砂粉，高性能尼龙等；快速制造应用材料，例如具有特殊性能的贵金属粉末，轻质金属粉末，高强度金属粉末，橡胶粉末，结构陶瓷粉末，功能陶瓷粉末等。同时在医学应用领域，主要可以成形有各类药片的压片用原粉，干细胞溶液，以及一些特殊功能并具有生物兼容性的结构材料粉末；而在微纳制造应用材料中，可以成形包括各类半导体制造中使用到的常规材料，包括金，铂，铜以及一些绝缘材料等。种类如此多元的应用材料，是其他增材制造技术所无法比拟的。
在制造特点方面，因为利用面扫描而不是点扫描、线扫描原理，3DP技术的制造速度远超过其他增材制造技术，其还是唯一可以不更换基体材料而实现全彩色制造的增材制造技术。同时，因为没有使用激光、电子束等高能束设备，其能耗小，设备体积可以进行小型化设计。这些都是3DP技术和设备如此受欢迎的原因。
3. 研究重点
当前3DP技术的研究重点主要要集中在硬件及控制、材料开发和应用三个方面，谁在其中首先获得重要突破，谁就将领导该技术未来的发展。
（1）硬件及控制
喷头是3DP设备的核心设备，喷头的性能及控制方式直接决定着3DP设备的最高性能。目前3DP设备为了控制成本多使用热气泡式或压电式商业喷头。这些喷头本身是研发用于喷墨打印机或喷绘机中，设计要求与3DP设备的实际使用要求略有出入。商业喷头对喷射液体粘度和表面张力范围的严格要求，很大程度上限制了3DP技术使用粘结剂的范围，并不利于技术的发展。因此开发3DP技术专用喷头显得十分必要。
喷头性能需要配套的控制程序才能得到最大的发挥。当前人们开发控制程序时只针对喷头本身，而未考虑到喷头使用的液体。如果将液体参数同样考虑进喷头控制中，可以依据使用的不同液体，对喷头控制进行修正，则可以进一步提高喷头形成液滴的精度，有利于成形精度的提高。
（2）材料
虽然目前3DP技术可使用的材料种类十分丰富，在众多增材制造技术处于领先地位，但仍有不尽如人意之处。材料领域仍然是很长一段时间内的研究重点。
首先，由于研究历史远远短于传统加工技术，当前研究人员的研究重点仍处于实现阶段，即使用3DP技术实现对某种材料的加工，而对于材料成形过程中的发生的变化、详细的成形过程等微观原理研究较少。这些基础研究是指导改进工艺技术，提高制造效果所必不可少的，也必然会成为将来研究人员所关注的重点。
其次，目前，利用3DP技术成形的制件，初始机械性能并不令人十分满意，还需要后处理工艺才能获得满足要求的最终制件。某些后处理工艺十分复杂，耗时极长，有违与增材制造技术灵活快速的初衷。如果在成形过程中提高初始件的性能也一直是研究人员研究的核心问题。
（3）应用
作为一种新兴技术，3DP技术的应用的边界还远远未被划定。无数研究人员正在使用其无比的创造力和卓有成效的实践，在众多领域是运用3DP技术制造他们所需要的制件。目前3DP技术在教学、模型、创意、医疗领域都得到了广泛的应用。随着制件性能的进一步提高，该技术在大规模工业生产中也将得到越来越大规模的使用。例如，目前3DP技术在有机电子器件（如大面积PLED、OLED）、半导体封装、太阳能电池的制造上，已经显示出了极具优势的发展前景。
参考文献
[1] 卢秉恒，李涤尘. 增材制造（3D打印）技术发展[J]. 机械制造与自动化，2013，04：1-4.
[2] 黄兵. 三维打印支撑材料及成形工艺的研究[D].华中科技大学，2009.
[3] 李晓燕，张曙，余灯广. 三维打印成形粉末配方的优化设计[J]. 机械科学与技术，2006，11：1343-1346.
作者简介：
邹志祎（1990-），男，湖北武汉人，华中科技大学硕士研究生在读，研究方向为材料加工成形和增材制造技术。
关键词：3DP；技术原理；现状；研究方向
近十年来，增材制造（又称快速成型、三维打印）技术受到越来越多的关注，其独特的制造原理，实现“自由制造”，尤其擅长复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显著。
粉材喷液技术（3DP）作为增材制造技术的一种，于上世纪80年代末由MIT科学家提出，90年代中期即实现了商业化销售，现状及前景都被研究人员看好。
1. 技术原理
所有增材制造技术都共享离散-堆积的成形原理，即将零件的整体制造转化为众多横截面的制造，每层堆积最后成为实体。众多技术的区别在于如何实现单层，即一个横截面信息的制造。3DP采用的方法利用喷头喷射液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的粉末成形。
具体工作过程如下：喷头在控制系统的控制下，按照所给的一层截面的信息，在事先铺好的一层粉末材料上，有选择性的喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成一层截面薄层；在每个薄层成形后，工作台下降一个层厚，进行铺粉操作，继而再喷射粘结剂进行薄层成形；不断循环，直至所用薄层成形完毕，层与层在高度方向上相互粘结并堆叠得到所需三维实体制件。
一般情况下，打印所得到的制件还需要进行后处理，对于无特殊强度要求的模型制件，后处理通常包括加温固化以及渗透定型胶水。而对于强度有特殊要求的结构功能部件以及各类模具，在对粘结剂进行加热固化后，通常还要进行烧结，以及液相材料渗透的步骤以提高制件的致密度，从而达到各类应用对于强度的要求。
2. 现状
美国的Z Corporation公司与上世界90年代中期推出了全世界第一款商业化3DP设备，以后一直保持了在该领域的技术优势。其在2012年被全球最大的增材制造设备生产商3D Systems公司收购，作为3D Systems公司的一个分公司继续进行商业活动。其Z printer 和Projet两系列3DP设备是目前市场上最受欢迎的产品之一。
目前市场上领先的3DP设备还有德国VoxelJet公司的VX系列，以及同样来自德国的Exone公司的M系列产品。这几种设备各自有自己的优势，Z printer/Projet系列仍是市场上唯一可以自由实现全彩色制造的增材制造设备；而VX系列是目前市场上成形精度最高、制造速度最快的产品；Exone公司则专攻金属制造，M系列设备制造的金属零件可以在简单处理后直接作为工业用品使用，这是其他3DP设备目前所不能达到的。
根据Gartner咨询公司和Wohlers Associates咨询公司给出的统计：在2007年，全球市场上售出的3DP设备数量为3651台，而这个数字到2013年超过了20万。如此突飞猛进的增长，除了受到增材制造技术整体受到关注外，3DP自身的特点也是一个重要的因素。
3DP技术的成形材料和应用领域范围极广，包括原型制件应用材料，例如尼龙粉末，ABS粉末，石膏粉末；模具应用材料，例如各种金属粉末，陶瓷粉末，以及用于砂模铸造的各种砂粉，高性能尼龙等；快速制造应用材料，例如具有特殊性能的贵金属粉末，轻质金属粉末，高强度金属粉末，橡胶粉末，结构陶瓷粉末，功能陶瓷粉末等。同时在医学应用领域，主要可以成形有各类药片的压片用原粉，干细胞溶液，以及一些特殊功能并具有生物兼容性的结构材料粉末；而在微纳制造应用材料中，可以成形包括各类半导体制造中使用到的常规材料，包括金，铂，铜以及一些绝缘材料等。种类如此多元的应用材料，是其他增材制造技术所无法比拟的。
在制造特点方面，因为利用面扫描而不是点扫描、线扫描原理，3DP技术的制造速度远超过其他增材制造技术，其还是唯一可以不更换基体材料而实现全彩色制造的增材制造技术。同时，因为没有使用激光、电子束等高能束设备，其能耗小，设备体积可以进行小型化设计。这些都是3DP技术和设备如此受欢迎的原因。
3. 研究重点
当前3DP技术的研究重点主要要集中在硬件及控制、材料开发和应用三个方面，谁在其中首先获得重要突破，谁就将领导该技术未来的发展。
（1）硬件及控制
喷头是3DP设备的核心设备，喷头的性能及控制方式直接决定着3DP设备的最高性能。目前3DP设备为了控制成本多使用热气泡式或压电式商业喷头。这些喷头本身是研发用于喷墨打印机或喷绘机中，设计要求与3DP设备的实际使用要求略有出入。商业喷头对喷射液体粘度和表面张力范围的严格要求，很大程度上限制了3DP技术使用粘结剂的范围，并不利于技术的发展。因此开发3DP技术专用喷头显得十分必要。
喷头性能需要配套的控制程序才能得到最大的发挥。当前人们开发控制程序时只针对喷头本身，而未考虑到喷头使用的液体。如果将液体参数同样考虑进喷头控制中，可以依据使用的不同液体，对喷头控制进行修正，则可以进一步提高喷头形成液滴的精度，有利于成形精度的提高。
（2）材料
虽然目前3DP技术可使用的材料种类十分丰富，在众多增材制造技术处于领先地位，但仍有不尽如人意之处。材料领域仍然是很长一段时间内的研究重点。
首先，由于研究历史远远短于传统加工技术，当前研究人员的研究重点仍处于实现阶段，即使用3DP技术实现对某种材料的加工，而对于材料成形过程中的发生的变化、详细的成形过程等微观原理研究较少。这些基础研究是指导改进工艺技术，提高制造效果所必不可少的，也必然会成为将来研究人员所关注的重点。
其次，目前，利用3DP技术成形的制件，初始机械性能并不令人十分满意，还需要后处理工艺才能获得满足要求的最终制件。某些后处理工艺十分复杂，耗时极长，有违与增材制造技术灵活快速的初衷。如果在成形过程中提高初始件的性能也一直是研究人员研究的核心问题。
（3）应用
作为一种新兴技术，3DP技术的应用的边界还远远未被划定。无数研究人员正在使用其无比的创造力和卓有成效的实践，在众多领域是运用3DP技术制造他们所需要的制件。目前3DP技术在教学、模型、创意、医疗领域都得到了广泛的应用。随着制件性能的进一步提高，该技术在大规模工业生产中也将得到越来越大规模的使用。例如，目前3DP技术在有机电子器件（如大面积PLED、OLED）、半导体封装、太阳能电池的制造上，已经显示出了极具优势的发展前景。
参考文献
[1] 卢秉恒，李涤尘. 增材制造（3D打印）技术发展[J]. 机械制造与自动化，2013，04：1-4.
[2] 黄兵. 三维打印支撑材料及成形工艺的研究[D].华中科技大学，2009.
[3] 李晓燕，张曙，余灯广. 三维打印成形粉末配方的优化设计[J]. 机械科学与技术，2006，11：1343-1346.
作者简介：
邹志祎（1990-），男，湖北武汉人，华中科技大学硕士研究生在读，研究方向为材料加工成形和增材制造技术。