3D 打印技术

在我国经济进入新常态的背景下，以3D打印等新兴技术为核心的智能制造在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。3D打印技术与工业4.0战略相结合，使更多资源要素和生产要素的整合变得更为方便快捷，将在未来智能制造过程中发挥重要的引领和支撑作用。

3D打印技术又称快速成型技术（Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM）或增材制造技术，它涉及到机械工程、材料工程、数字控制、逆向制造、CAD技术以及计算机技术等学科。3D打印技术的基本原理为“逐层打印、层层叠加”，即先通过CAD软件生成三维模型，然后由上位机切片软件（对其进行分层切片并规划路径，将生成的G-code文件导入给下位机控制器，接着由控制器控制3D打印设备逐层再现三维实体模型。

图1 工业4.0与3D打印

实验室专注于熔融挤出成型（FDM）技术、光固化成型技术（SLA）和电子电路3D打印技术的研究及设备开发。

高温FDM 3D打印设备设计研发

熔融沉积成型（FDM技术）是对丝状材料进行熔融后由喷头逐层挤出堆积成型的一种快速成型方法。现今一般的FDM设备主要成型温度在200摄氏度左右，主要成型材料为PLA和ABS等，无法打印耐高温的特种工程塑料。针对FDM技术的这一限制，课题组自主研发高温FDM成型设备。现今已基本完成聚醚醚酮（PEEK）材料基于FDM技术的快速成型。

一代高温FDM打印机设备样机图

打印拉伸试样断面SEM观测图

设备打印样品图

光固化成型技术（SLA）

光固化立体成形（SLA与DLP技术）基于光敏树脂的光聚合原理，激光器发出的紫外强光使液体光敏树脂逐层固化。该成型工艺成型原理图如下：

图4 光固化立体成型原理图（动态图） 图5 SLA打印机打印模型

实验室与美国FSL公司研发中心共同研发出具有独立知识产权的SLA 3D打印机和DLP 3D打印机。同时已研发出多种颜色体系、不同力学性能的树脂配方，在国内处于领先地位，拥有绝对优势。

图6 SLA 和DLP 3D打印机

图7 FSL 3D打印机打印模型

电子电路3D打印技术

电子电路3D打印技术指在3D打印过程中，将复杂的电子电路打印在模型内部，而不干扰正常的模型打印，同时探究各项工艺参数对电路导电率的影响。所用材料为导电银浆和PLA材料。实验室开发的电子电路打印机构已能够打印出双层绝缘电路。其结构原理图如下：

图8 电子电路3D打印技术结构图图9 一次重写次数打印的电路截面SEM图

功能梯度材料3D打印

功能梯度材料(FGM)是指材料的组成和结构从材料的某一方位一维、二维或者三维地向另一方位连续地变化，材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料。这种材料能明显降低局部应力，提高材料性能。目前在航空航天、生物工程、机械工程、光电工程和电磁工程等领域均有非常大的应用前景。其具有优异的性能以及所体现出的新颖的材料设计思想一经提出，立即引起世界各国材料科学工作的高度重视，本实验也将着手于功能梯度材料的研发，力争获得突破进展。