文/萬物知識局
編輯/萬物知識局
一、三維列印成形技術的原理和分類
三維列印成形技術的基本原理是将數字模型轉化為實際物體。通常，該過程包括以下幾個關鍵步驟：數字模組化：使用計算機輔助設計（CAD）軟體或三維掃描器，将實際物體或概念模型轉化為數字模型。數字模型可以是幾何形狀、曲線、曲面或體積資料。
切片：将數字模型切割成薄片，即将三維對象分解為一系列的二維截面。每個切片代表物體在Z軸上的一個薄層。列印路徑生成：根據切片圖像生成列印路徑，确定每一層的列印順序和填充模式。列印路徑可以通過優化算法來實作最佳的列印效果，以減少列印時間和材料浪費。
材料沉積：将材料逐層堆疊或沉積在工作平台上，根據列印路徑指導列印機進行精确的材料定位。常用的材料包括塑膠、金屬、陶瓷、生物材料等。固化和熱處理：根據所用材料的特性，通過光固化、熱固化或其他方法将材料固化為實體。這一步驟可以使列印的物體具有所需的力學性能和表面品質。
後處理：完成列印後，可能需要進行一些後處理操作，例如去除支撐結構、清潔表面、進行表面處理等，以得到最終的成品。三維列印成形技術根據不同的材料和工作原理可以分為多種分類。以下是一些常見的分類：
光固化技術：光固化技術使用紫外線光源将液體光敏材料（如光敏樹脂）逐層固化，形成固體結構。光固化技術通常使用SLA（雷射光固化）或DLP（數字光處理）等技術。
熔融沉積技術：熔融沉積技術是最常見的三維列印成形技術之一，它使用熔融态的材料通過噴嘴逐層堆積，形成物體。常見的熔融沉積技術包括FDM（熔融沉積模組化）、SLS（選擇性雷射燒結）和EBM（電子束熔化）等。
粉末燒結技術：粉末燒結技術使用粉末材料，通過熱源（雷射束或電子束）将粉末逐層燒結，形成實體結構。常見的粉末燒結技術包括SLS（選擇性雷射燒結）和SLM（選擇性雷射熔化）等。
噴墨列印技術：噴墨列印技術使用類似噴墨列印機的工作原理，通過噴射細小顆粒的材料逐層建構物體。這種技術通常應用于生物列印和陶瓷列印等領域。紡織列印技術：紡織列印技術将紡織工藝與三維列印技術相結合，可以直接列印出紡織品或紡織品的預制件。
此外，還有其他一些特殊的三維列印成形技術，如多材料列印技術、多光束列印技術、連續液體界面制造技術等，這些技術進一步擴充了三維列印的應用範圍。
三維列印成形技術的原理是通過數字模型切片、逐層堆疊材料、固化和後處理等步驟來建構物體。根據材料和工作原理的不同，三維列印成形技術可以分為光固化技術、熔融沉積技術、粉末燒結技術、噴墨列印技術、紡織列印技術等不同分類。
這些分類方法使得三維列印成形技術能夠适應不同的應用需求，并在制造業、醫療領域和其他領域發揮重要作用。随着技術的不斷創新和發展，三維列印成形技術将在未來呈現出更加廣闊的前景和應用潛力。
二、材料方面的新進展
材料是三維列印成形技術的重要組成部分，它直接影響着列印成品的品質、性能和應用範圍。随着三維列印技術的發展，材料方面也取得了許多新的進展。本文将重點介紹三維列印成形技術在材料方面的新進展，包括新型材料的開發、多材料列印的實作以及材料性能的優化等。
傳統的三維列印成形技術主要使用塑膠或金屬材料進行列印。然而，近年來，研究人員在材料方面進行了大量的創新和探索，推動了新型材料的開發和應用。以下是一些常見的新型材料：
高性能聚合物：高性能聚合物具有良好的力學性能、化學穩定性和耐熱性，适用于各種工程應用。例如，聚酰亞胺、聚酰胺、PEEK（聚醚醚酮）等材料在三維列印中得到廣泛應用。生物可降解材料：生物可降解材料在醫療和環境領域具有重要應用價值。例如，PLA（聚乳酸）、PHA（聚羟基脂肪酸酯）等材料可以用于生物醫學器械、藥物緩釋系統和可降解包裝材料的制造。
複合材料：複合材料通過将兩種或多種材料組合在一起，以提高性能、增加功能性。例如，碳纖維增強複合材料具有輕量化、高強度和高剛度的特點，在航空航天和汽車工業中得到廣泛應用。
金屬材料：除了傳統的金屬材料，如钛合金、鋁合金等，新型金屬材料也被引入到三維列印中。例如，形狀記憶合金、高溫合金等材料在航空航天、汽車和醫療領域具有重要應用前景。傳統的三維列印技術往往隻能使用單一材料進行列印，限制了其應用範圍。然而，随着多材料列印技術的發展，現在可以實作在同一
列印過程中使用多種材料進行列印，進而在成品中獲得更多的功能和性能。以下是一些實作多材料列印的方法：多噴嘴系統：通過在列印頭上安裝多個噴嘴，每個噴嘴分别供應不同的材料。這種方法可以在同一層或不同層中列印不同材料，實作多材料的堆疊。
混合噴嘴系統：通過将不同的材料混合在一起，然後通過單個噴嘴進行列印。這種方法可以實作材料的混合和共混，進而獲得具有特定性質的材料。支援材料和建構材料分離：在列印過程中，使用一個材料作為支撐材料，用于支撐建構材料的列印，完成後可以去除支撐材料，進而實作多材料列印。
多材料列印技術的實作拓寬了三維列印的應用領域。它可以用于制造具有複雜内部結構的物體、列印電子器件和傳感器、制造仿生組織和器官等。除了開發新型材料和實作多材料列印，還對現有材料的性能進行了優化。這主要包括以下幾個方面：
強度和剛度的提高：通過添加增強劑、纖維增強劑或納米顆粒等，可以增加材料的強度和剛度，使其适用于更高要求的應用。導電性和導熱性的改善：通過添加導電填料或導熱填料，可以賦予材料導電性和導熱性，使其适用于電子器件、熱管理和導電結構等領域。
生物相容性和生物活性的增強：在材料中引入生物相容性的功能基團或添加生物活性物質，可以增強材料與生物體的相容性和互相作用，促進生物醫學應用。表面潤濕性和抗粘附性的改善：通過表面處理或添加特殊功能材料，可以改善材料的潤濕性和抗粘附性，減少材料與周圍環境的互相作用。
通過對材料性能的優化，可以使三維列印的成品更加适應特定的應用需求，并開辟出新的應用領域。總結起來，材料方面的新進展在很大程度上推動了三維列印成形技術的發展。新型材料的開發、多材料列印的實作以及材料性能的優化為三維列印提供了更多的可能性和應用前景。随着科學技術的不斷進步，我們可以期待三維列印材料領域會有更多的突破和創新，進一步推動三維列印技術的發展。
三、列印機方面的新進展
列印機是三維列印成形技術的核心裝置，它直接影響着列印效果、速度和精度。随着三維列印技術的不斷發展，列印機方面也取得了許多新的進展。本文将重點介紹三維列印機在硬體、軟體和控制系統方面的新進展，包括高速列印、多材料列印、自動化控制和智能化技術等。
傳統的三維列印技術通常需要較長的列印時間，限制了其在大規模制造中的應用。為了提高列印速度，研究人員在列印機硬體和列印過程控制方面進行了許多創新。列印頭設計的優化：通過改進列印頭的結構和噴嘴設計，可以實作更高的列印速度。例如，增加多個噴嘴、優化噴嘴排布和控制噴嘴的噴射速度等方法可以加快列印速度。
光固化技術的改進：光固化技術中使用的雷射或光束的功率和掃描速度的提高，可以顯著加快光固化過程，進而縮短列印時間。
多工作台系統：通過在列印機中增加多個工作台，可以實作同時進行多個列印任務，進而提高列印效率。這些創新和改進使得三維列印機在列印速度方面取得了顯著的進展，為大規模生産和定制化生産提供了更多的可能性。
傳統的三維列印機通常隻能使用單一材料進行列印，限制了列印成品的多樣性和功能性。為了實作多材料列印，研究人員進行了許多創新和改進。多噴嘴系統：通過在列印機中安裝多個噴嘴，每個噴嘴供應不同的材料，可以實作多材料的列印。這種方法可以在同一層或不同層中列印不同的材料，進而獲得具有多種功能和性能的成品。
混合噴嘴系統：通過将不同的材料混合在一起，然後通過單個噴嘴進行列印，可以實作材料的混合和共混。這種方法可以實作材料的漸變、過渡和複雜結構的列印。材料切換系統：通過引入可切換的噴嘴或材料通道，可以實作在列印過程中切換不同的材料，進而實作多材料的列印。
這些多材料列印的創新使得三維列印機可以在同一列印過程中使用不同材料，進而在成品中獲得更多的功能和性能。為了提高列印機的操作效率和準确性，研究人員還開發了許多自動化控制和智能化技術。
自動化校準和調整：通過傳感器和回報機制，列印機可以自動校準和調整列印參數，以確定列印過程的準确性和穩定性。遠端監控和控制：通過網絡連接配接和遠端控制技術，使用者可以遠端監控和控制列印機的操作，實作遠端列印和管理。
智能化軟體：配備智能化軟體的列印機可以根據列印需求自動調整參數、優化列印路徑和支撐結構，提高列印效率和品質。這些自動化控制和智能化技術使得列印機更加易于操作和管理，并提高了列印的效率和品質。
列印機方面的新進展包括高速列印技術、多材料列印技術以及自動化控制和智能化技術的應用。這些創新和改進使得三維列印機能夠更加高效、靈活和智能地應對不同的列印需求，推動了三維列印技術的發展和應用。随着科學技術的不斷進步，我們可以期待列印機技術将繼續取得新的突破和進展，為三維列印帶來更多的可能性。
結論：
本論文綜述了三維列印成形技術的新進展，并探讨了其在制造業、醫療領域和可持續發展等方面的應用。随着材料、列印機和軟體的不斷改進，三維列印成形技術将在未來展現更廣闊的發展前景。然而，仍然需要進一步的研究和創新來解決技術面臨的挑戰，以實作其在各個領域的全面應用。