3DP三维印刷成型：3D打印的彩色世界

今天为你带来的是3DP技术。3DP技术由麻省理工学院的Emanual Sachs教授团队于1993年发明。基于这项技术，Sachs教授在3D打印领域里获得了40多项专利，并开创了一个全新的产业。这项技术广泛应用于电子产品的陶瓷部件、金属模具、医疗装置等领域。

3DP成型同样受到国内学者的关注。西安交通大学、天津大学、清华大学、中国科技大学、华中理工大学等国内高校对3DP工艺看展了深入研究，并在一些领域形成了自己的特点。

1 3DP技术原理

三维印刷成型（Three Dimensional Printing，3DP），又称为喷墨粘粉式技术、粘合剂喷射成型，美国材料与测试协会增材制造技术委员会（ASTMF42）将3DP的学名定为Binder Jetting（粘合物喷射）。3DP技术由美国麻省理工大学的Emanuel M．Sachs和John S．Haggerty等人发明，1989年提交专利申请，1993年被授权专利。1995年，麻省理工学院把3DP技术授权给Z Corporation公司进行商业应用。Z Corporation公司在得到3DP技术的授权后，自1997年以来陆续推出了一系列3DP打印机，后来该公司被3D Systems收购，并被开发成为了3D Systems的ColorJet系列打印机。

下图为Z Corp的一款产品，以淀粉掺蜡或环氧树脂为粉末原料打印而成。

Zcorp Z860

3DP打印技术使用的原材料主要是粉末材料，如陶瓷、金属、石膏、塑料粉末等。利用粘合剂将每一层粉末粘合到一起，通过层层叠加而成型。与普通的平面喷墨打印机类似，在粘合粉末材料的同时，加上有颜色的颜料，就可以打印出彩色的东西了。3DP技术是目前比较成熟的彩色3D打印技术，其他技术一般难以做到彩色打印。和许多激光烧结技术类似，3DP也使用粉床（powder bed）作为基础，但不同的是，3DP使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里，而不是利用高能量激光来融化烧结。

3DP打印机的内部构造（图片来源：南极熊）

3DP设备在控制系统的控制下，喷粉装置在平台上均匀地铺一层粉末，喷粉打印头负责X轴和Y轴的运动，按照模型切片得到的截面数据进行运动，有选择地进行粘合剂喷射，最终构成平面图案。在完成单个截面图案之后，打印台下降一个层厚单位的高度，同时铺粉辊进行铺粉操作，接着再次进行下一次截面的打印操作。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘合剂，最终完成三维成型件。

3DP粉末粘合成型工艺（图片来源：南极熊）

2 优势＆限制

如今在众多金属激光烧结的3D打印机主导市场的情况下，3DP技术虽然占有市场份额较小，但却依然在金属增材制造中扮演着重要角色。然而经常有声音质疑，在激光烧结等技术愈发成熟的情况下，3DP技术是否还有竞争力。我们认为，3DP技术很好的弥补了一些其他技术的不足，并填补了金属3D打印的一些空白。

优势

1．  3DP技术色彩丰富，可选择的材料种类很多，是一种具有24位全彩打印能力的技术。这也是该技术最具竞争力的特点之一。

2．  3DP技术虽然有粉床但是没有粉床熔融的过程，在成型过程中不会产生残余应力，因此3DP便可完全通过粉床来支撑悬空结构，而不需要支撑结构（与SLS类似）。

3．  3DP的喷头可以进行阵列式（2D array）扫描而非激光点扫描，因此打印速度快，能够实现大尺寸零件的打印。

4．  没有激光器，设备价格较为低廉

基于3DP打印技术设备的阵列式喷头（图片来源：ExOne）

技术限制

1．  精度和光洁度不理想，多用于制作人偶和概念模型，不适合制作结构复杂和细节较多的薄型物件。

2．  利用3DP技术打印出的工件只能通过粉末粘结，粘结剂的粘结能力有限，其强度比较低，基本只能做概念原型。

3．  3DP技术中需要经历繁琐的后处理过程，比如烧结。因此与很多金属直接制造成型技术相比可能没有优势。

3 3DP应用

原型全彩打印（代表公司：ZCorp）

3DP技术在MIT的实验室实现后便迅速转化为了专利，在90年代被多家公司根据不同材料获得使用权。在非金属材料比较有名的是ZCorp公司（现已被3D Systems收购），主要使用石膏作为原材料。ZCorp产品最大的亮点当属全彩3D打印机，粘合剂可以被着色，从而制造出多彩的打印模型。

ZCorp公司于2005年推出的世界第一台彩色3D打印机Spectrum Z510

3DP技术打印的全彩人像

3DP技术打印的全彩汽车组件（图片来源：ZCorp）

利用3D Systems的全彩打印技术制成的模型（图片来源：3ders．com）

金属直接成形（代表公司：ExOne）

使用3DP打印金属的技术被ExOne公司商业化。ExOne是纳斯达克上市公司，2005年从有着50余年历史的精密特种加工和自动化解决方案供应商Extrude Hone公司独立出来，专注于3D打印业务。

如今ExOne公司制造的产品材料包括金属、石英砂和陶瓷等多种工业材料，其中金属材料以不锈钢为主。当利用3DP技术制造金属零件时，金属粉末被一种特殊的粘合剂所粘合而成型，然后从3D打印机中取出，放到熔炉中烧结得到金属成品。

利用3DP技术制造的金属零件（图片来源：ExOne）

砂模铸造成形（代表公司：VoxelJet）

砂模铸造成形是一种间接制造金属产品的方式。利用3DP技术将铸造用砂制成模具，之后便可用于传统工艺的金属铸造。专门用3DP技术生产模具的公司是德国的VoxelJet，Voxeljet生产的设备能够用于铸造模具的生产。

Voxeljet制造的砂模以及利用砂模铸造成形的金属零件

利用砂模铸造成形制作金属零件流程图（图片来源：VoxelJet）