快速成型技術是利用三維CAD數據，通過快速成型機。將材料堆積成實體原型的技術，可以自動、快速、直接、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或制造零件。根據成型方法可分為兩類：基于激光及其他光源的成型技術(Laser Technology)和基于噴射的成型技術(Jetting Technology)。

　　三維快速成型打印機(three dimensional printing，3DP)技術作為目前快速成形行業中最有生命力之一的技術.主要是將原來只有XY方向上的打印增加了Z方向的縱向移動。最后將Z向的各個截面結合起來得到立體模型。此技術具有設備簡單、材料便宜、材料類型廣泛、工作過程中無污染、成形速度快等優點，制作速度比其他技術快5～10倍，不需要制作支承，成本遠低于其他快速成型技術，廣泛應用于成型工業、建筑設計、醫用器械制備、氣象等方面。

　　3DP技術由麻省理工學院Emanual Sachs等人開發.近幾年在國外得到了迅猛發展。美國ZCop公司與日本Riken Institute于2000年研制出基于噴墨打印技術的、能夠做出彩色原型件的三維打印快速成型機。2000年以色列的Object Geometries公司推出了基于結合3Dink-Jet與光固化工藝的三維打印快速成型機Quadra。美國3D System、荷蘭TNO以及德國BMT公司等都生產出自己研制的3DP設備，但是此項技術在國內還處于研發階段，打印機和原料均需進口，成本非常昂貴，因此。有很大發展潛力。

　　1、3D快速成型打印機原理

　　三維快速打印技術是使用噴頭噴出粘結劑，選擇性地將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后層層將各個截面粘結起來。可用于制造復雜形狀的模型、中空模型，或者制造復合材料或非均勻材料的模型等。
 

　　圖1是三維打印成型機的剖面示意圖。其工藝是先由鋪粉輥從左往右移動.將供粉缸里的粉末在成型缸上均勻鋪上一層.然后按照計算機上設計好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件底層截面的形狀。然后成型缸平臺向下移動一定距離，再由鋪粉輥從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結劑，層層遞進，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的。這種技術將原本只能在成型車間才能進行的工藝搬到了普通辦公室，增加了應用面。

　　2、材料選擇

　　目前此技術發展的最大阻礙就在于成型所需的材料，主要包括粉末和粘結劑兩部分。

　　2.1粉末材料選擇

　　從三維打印技術的工作原理可以看出，其成型粉末需要具備材料成型性好、成型強度高、粉末粒徑較小、不易團聚、滾動性好、密度和孔隙率適宜、干燥硬化快等性質，可以使用的原型材料有石膏粉末、淀粉、陶瓷粉末、金屬粉末、熱塑材料或者是其他一些有合適粒徑的粉末等。

　　成型粉末部分由填料、粘結劑、添加劑等組成。相對其他條件而言，粉末的粒徑非常重要。徑小的顆粒可以提供相互間較強的范德瓦爾茲力。但滾動性較差，且打印過程中易揚塵，導致打印頭堵塞；大的顆粒滾動性較好，但是會影響模具的打印精度。粉末的粒徑根據所使用打印機類型及操作條件的不同可從1μm到100μm。其次，需要選擇能快速成型且成型性能較好的材料。可選擇石英砂、陶瓷粉末、石膏粉末、聚合物粉末(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚苯乙烯、聚乙烯、石蠟等)，金屬氧化物粉末(如氧化鋁等)和淀粉等作為材料的填料主體.選擇與之配合的粘結劑可以達到快速成型的目的。加入部分粉末粘結劑可起到加強粉末成型強度的作用，其中聚乙烯醇、纖維素(如聚合纖維素、碳化硅纖維素、石墨纖維素、硅酸鋁纖維素等)、麥芽糊精等可以起到加固作用，但是其纖維素鏈長應小于打印時成型缸每次下降的高度，膠體二氧化硅的加入可以使得液體粘結劑噴射到粉末上時迅速凝膠成型。除了簡單混合，將填料用粘結劑(聚乙烯吡咯烷酮等)包覆并干燥可更均勻地將粘結劑分散于粉末中，便于噴出的粘結劑均勻滲透進粉末內部。或者將填料分為兩部分包覆.其中一部分用酸基粘結劑包覆。另一部分用堿基粘結劑包覆，當二者通過介質相遇時，便可快速反應成型。包覆方法也可有效減小顆粒之間的摩擦，增加其滾動性，但要注意包覆厚度要很薄，介于0.1-1.0μm之間。

　　成型材料除了填料和粘結劑兩個主體部分，還需要加入一些粉末助劑調節其性能，可加入一些固體潤滑劑增加粉末滾動性，如氧化鋁粉末、可溶性淀粉、滑石粉等.有利于鋪粉層薄均勻；加入二氧化硅等密度大且粒徑小的顆粒增加粉末密度。減小孔隙率，防止打印過程中粘結劑過分滲透；加入卵磷脂減少打印過程中小顆粒的飛揚以及保持打印形狀的穩定性等。另外，為防止粉末由于粒徑過小而團聚，需采用相應方法對粉末進行分散。

　　2.2粘結劑選擇

　　用于打印頭噴射的粘結劑要求性能穩定，能長期儲存，對噴頭無腐蝕作用，粘度低，表面張力適宜，以便按預期的流量從噴頭中擠出。且不易干涸，能延長噴頭抗堵塞時間，低毒環保等。液體粘結劑分為幾種類型：本身不起粘結作用的液體，本身會與粉末反應的液體及本身有部分粘結作用的液體。本身不起粘結作用的粘結劑只起到為粉末相互結合提供介質的作用.其本身在模具制作完畢之后會揮發到幾乎不剩下任何物質.對于本身就可以通過自反應硬化的粉末適用，此液體可以為氯仿、乙醇等。對于本身會參與粉末成型的粘結劑，如粉末與液體粘結劑的酸堿性的不同，可以通過液體粘結劑與粉末的反應達到凝固成型的目的。而目前最常用的是以水為主要成分的水基粘結劑，對于可以利用水中氫鍵作用相互連接的石膏、水泥等粉末適用，粘結劑為粉末相互結合提供介質和氫鍵作用力，成型之后揮發。或者是相互之間能反應的，如以氧化鋁為主要成分的粉末.可通過酸性粘結劑的噴射反應固化。對于金屬粉末，常常是在粘結劑中加入一些金屬鹽來誘發其反應。對于本身不與粉末反應的粘結劑，還有一些是通過加入一些起粘結作用的物質實現，通過液體揮發，剩下起粘結作用的關鍵組分。其中可添加的粘結組分包括縮丁醛樹脂、聚氯乙烯、聚碳硅烷、聚乙烯吡咯烷酮以及一些其他高分子樹脂等。選擇與這些粘結劑相溶的溶液作為主體介質可應用，雖然根據粉末種類不同可以用水、丙酮、醋酸、乙酰乙酸乙酯等作為粘結劑溶劑，但目前均以水基粘結劑報道較多。

　　如前所述，要達到液體粘結劑所需條件，除了主體介質和粘結劑外，還需要加入保濕劑、快干劑、潤滑劑、促凝劑、增流劑、pH調節劑及其他添加劑(如染料、消泡劑)等，所選液體均不能與打印頭材質發生反應。加入的保濕劑如聚乙二醇、丙三醇等可以起到很好的保持水分的作用，便于粘結劑長期穩定儲存。可加入一些沸點較低的溶液如乙醇、甲醇等來增加粘結劑多余部分的揮發速度，另外，丙三醇的加入還可以起到潤滑作用，減少打印頭的堵塞。對于一些以膠體二氧化硅或類似物質為凝膠物質的粉末，可加入檸檬酸等促凝劑強化其凝固效果。添加少量其他溶劑(如甲醇等)或者通過加入分子量不同的有機物可調節其表面張力和粘度以滿足打印頭所需條件。表面張力和粘度對打印時液滴成型有很大影響，合適的形狀和液滴大小直接影響打印過程成型精度的好壞。為提高液體粘結劑流動性，可加入二乙二醇丁醚、聚乙二醇、硫酸鋁鉀、異丙酮、聚丙烯酸鈉等作為增流劑，加快打印速度。另外，對于那些對溶液pH值有特殊要求的粘結劑部分，可通過加入三乙醇胺、四甲基氫氧化氨、檸檬酸等調節pH為最優值。加入百里酚藍指示，以保持粘結劑條件的最優化.對打印頭液滴的形狀也有影響，揮發剩下的物質還可以起到一定的固化作用。另外，出于打印過程美觀或者產品需求，需要加入能分散均勻的染料等。要注意的是，添加助劑的用量不宜太多，一般小于質量分數的10%，助劑太多會影響粉末打印后的效果及打印頭的機械性能。

　　3、后處理過程

　　打印過程完成之后，需要一些后續處理措施來達到加強模具成型強度及延長保存時間的目的，其中主要包括靜置、強制固化、去粉、包覆等。

　　打印過程結束之后，需要將打印的模具靜置一段時間，使得成型的粉末和粘結劑之間通過交聯反應、分子間作用力等作用固化完全，尤其是對于以石膏或者水泥為主要成分的粉末。成型的首要條件是粉末與水之間作用硬化，之后才是粘結劑部分的加強作用，一定時間的靜置對最后的成形效果有重要影響洶]。當模具具有初步硬度時，可根據不同類別用外加措施進一步強化作用力，例如通過加熱、真空干燥、紫外光照射等方式。此工序完成之后所制備模具具備較強硬度，需要將表面其他粉末除去，用刷子將周圍大部分粉末掃去，剩余較少粉末可通過機械振動、微波振動、不同方向風吹等除去。也有報道將模具浸入特制溶劑中，此溶劑能溶解散落的粉末，但是對固化成型的模具不能溶解.可達到除去多余粉末的目的。對于去粉完畢的模具。特別是石膏基、陶瓷基等易吸水材料制成的模具.還需要考慮其長久保存問題，常見的方法是在模具外面刷一層防水固化膠，增加其強度，防止因吸水而減弱強度。或者將模具浸入能起保護作用的聚合物中，比如環氧樹脂、氰基丙烯酸酯、熔融石蠟等，最后的模具可兼具防水、堅固、美觀、不易變形等特點。

　　4、展望

　　3DP技術除了在快速設計方面有很大好處之外，還可用于工業生產(如自行車、小型機械制造等)和醫學等方面，結合生物細胞學可應用于人工骨頭打印、器官打印等。而在材料的品種方面，可根據所要制備的模具特點用石膏、陶瓷、淀粉、聚合物等多種打印成型材料，并且可以根據材料所需特點開發更多材料，適用性非常強，前景非常廣大。但在國內未受重視，國外產品價格較貴，需進一步探索條件降低成型材料所需成本以及三維打印機的成本，改進材料性能，加快模具硬化干燥速度，簡化后處理過程，進一步體現“快”的特點，并且將此技術向生產更大規模的產品發展，充分發揮其作用。

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