如何理解美方3D打印N95口罩

最日报道美国用FDM 3D打印N95口罩，时长45小时制造4个。印象中FDM 3D打印技术精度低、表面质量差、打印速度还慢，似乎只能做一些类似玩具的小玩意儿，中看不中用。如此认为，就实在低估了其价值。殊不知，价格最低、普及程度最高的FDM技术，上至航空航天，下至服装、汽车、工业制造等高大上的行业，都有该技术的广泛参与，而且在有些方面还完全替代了金属。那么怎么理解3D打印？

一、什么是3D打印

3D打印是一种快速成型技术，可用于创建各种形状及独特结构，用熔融沉积成型（FDM）技术的3D打印设备价格较低、易于操作，广泛的应用于各个领域。3D打印技术最早出现于20世纪80年代，是为满足高度专业化的模型制作和快速成型（RP）需求而推出的，现已广泛的应用各个领域。金属、陶瓷和聚合物可以用AM生产定制零件，而不需要传统成型工艺中的模具。传统制造受到工业大规模生产相关的处理限制约束，而AM本质上能够更快地设计和定制制造对象，以满足个人和特定应用程序的需求。AM允许生产具有高度形状复杂性的三维结构，如图1所示。

图1 3D打印的基本原理示意图

二、3D打印的类型及常用FDM熔融层积成型的打印原理

AM包括SLA光固化成型、SLS激光烧结成型和FDM熔融层积成型三种。其中最常用非的是FDM熔融层积成型，FDM机械系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热工作室、工作台5个部分（如图2）。熔融沉积工艺使用的材料分为两部分：一类是成型材料，另一类是支撑材料。

图2 FDM成型流程图和系统模拟图

将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

FDM成形中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，以保证成形过程的顺利实现。支撑可以用同一种材料建造，现在一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，制作完毕后去除支撑相当容易。送丝机构为喷头输送原料，送丝要求平稳可靠。送丝机构和喷头采用推-拉相结合的方式，以保证送丝稳定可靠，避免断丝或积留。

三、FDM快速成型工艺的缺点

（1）原型的表面有较明显的条纹。（2）与截面垂直的方向强度小。（3）需要设计和制作支撑结构。（4）成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。（5）原材料价格昂贵。（6）喷头容易发生堵塞，不便维护。

四、FDM快速成型工艺的优点

（1）成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，设备费用低；另外原材料的利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，使得成型成本大大降低。（2）采用水溶性支撑材料，使得去除支架结构简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空零件以?及一次成型的装配结构件。（3）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。（4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPS以及医用ABS等。（5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。（6）用蜡成型的原型零件，可以直接用于熔模铸造。（7）FDM系统无毒性且不产生异味、粉尘、噪音等污染。不用花钱建立与维护专用场地，适合于办公室设计环境使用。（8）材料强度、韧性优良，可以装配进行功能测试。

五、FDM的应用领域

1. FDM用于航空

       上图是西班牙航空公司Indaero为空客提供的定制部件，用于将滑动框固定到直升机机翼内部。该部件传统上采用铝合金制作，重量达12公斤，需两名操作员将其固定并标记钻孔；而Indaero借助3D技术对其进行了重新设计，同时采用FDM打印机结合工程塑料制作，重量仅3公斤，不仅可以独立站立而且完全符合机翼曲率，与此同时，新部件价格更加便宜。于此，谁说FDM只能打玩具，这不也上天了？！以上部件只是其一，能飞上天的可不只有它。
2. FDM用于汽车
自2014年以来，葡萄牙的大众Autoeuropa工厂一直使用3D打印机生产用于流水线的模具组件。大众汽车已经宣布，在2016年，该工厂使用FDM台式3D打印机每年可节省16万美元--将传统生产成本降低90％以上，工具开发时间缩短95％。2016年，该工厂3D打印了约1000个FDM零件用于汽车制造，2017年将节省20万美元，几台FDM的价格可远没有这么多钱啊。
3. FDM用于其他工业生产
在航空工业中需要使用三坐标测量仪测量零件的精度，而三坐标测量仪需要借助专门的夹具固定零件。过去这种定制的夹具需要外包采用钢材制作，如今使用FDM打印机制作工程塑料级的低成本夹具，制作周期更短，成本更低，而且需要多少就打印多少，减轻库存压力。