浅谈3D打印技术的发展与应用

摘要：

3d打印技术，是某种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3d打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

关键词：3D打印技术，数字模型。

1 引言

在科技日益飞速发展的今天，人们的生活水平日渐提升，正因此，人口也在急速地的增长，我们需要愈来愈多的物品来满足自己的物质生活条件，这就势必会造成一种情况：对物品的要求越来越高，做工精致，而且独特非量产的物品会深受广大人们的喜爱。而如今我们拥有了3D打印这一门具有着丰富的先进性，创造性，可塑性的技术，人们可以通过3D打印机来打印我们日常生活所需要，由于涉及的技术应用范围广，不论是那个领域，医疗，科学研究，产品模型，建筑建设，还有食品等等都有着无穷的可能性，前景广泛。

“3D打印”学名为”快速成型技术”(Rapid Prototype)，也称为“增材制造技术”，3D打印是一项革命性技术，它不再需要传统刀具、夹具和机床，而是根据物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术，这将缩短产品的研制周期，降低了生产所需的人力资源成本并提高了生产效率。飞机、核电、火电等行业所使用的重型、高端机械装备上，传统的焊接和零部件加固的方法使得部件之间的连接并不牢固，但使用3D打印技术获得的产品实现了自然无缝连接，在各结构组件之间的稳固性和连接强度方面，要远高于传统方法。该项打印技术在实际应用中使用的并不是传统打印中使用的水墨材料，而是粉末状或丝状塑料以及玻璃、面粉和尼龙等物质，在实际生产中可以做好随时生产，不会受到产品结构的制约等，而且增材制造减少了材料的浪费，既保证生产质量与效率，还降低了生产成本。

2 3D打印技术类型

2.1 SLA技术

SLA是”Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。SLA采用的是液态光敏树脂原料。SLA光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具,可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。

使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。SLA快速成型方法可以城西透明树脂类材料并且成型表面质量光滑效果好，但是SLA技术的缺点就是SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高；而且SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻；成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存；预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高并且软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。同时成型制件的强度低、成型过程中容易受到光污染且气味大等特点，一般主要应用在：汽车外观件及结构件的验证、精密铸造中的蜡模、文化艺术领域等。

2.2 SLS技术

SLS是”Selective Laser Sintering”的缩写，又称作选择性激光烧结，在国内也有许多科研单位开展了对SLS工艺的研究，如南京航空航天大学、中北大学、华中科技大学、武汉滨湖机电产业有限公司、北京隆源自动成型有限公司、湖南华曙高科等。

SLS技术使用的是粉末状材料，SLS技术能生产较硬的模具；可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等；零件的构建时间短，无需设计和构造支撑。但是有激光损耗，需要专门实验室环境，使用及维护费用高昂；而且需要预热和冷却，后处理麻烦；成型表面受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；加工室需要不断充氮气，加工成本高。与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用广泛。

2.3 PDM技术

该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高1°C)，在计算机的控制下，喷头作x y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移7层高度，进行下一一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该技术污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能相当于工程塑料或蜡模；主要用于塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

2.4 LOM技术

分层实体制造法(LOM)，又称层叠法成形，它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将切割层粘合在起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。

3 3D打印技术在国内外的发展情况

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0. 01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。近年来，我国也在积极探索3D打印技术的研发，而且已有部分技术处于世界先进水平，其中有望率先应用于航天、航空装备制造;生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领城，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。但是3D打印技术目前并不完全成熟，还有一个较长时期的发展和适应过程。由于我国工业化革命没有完成，与国际同行比较，还有不小的差距，这是我国3D打印行业面临的实际情况。

4 3D技术的应用领域

3D打印的增材制造特性赋予了它在各个行业的应用潜力和前景，但是由于各个行业的关注点和需求的不同，对3D打印提出的要求也不尽相同，我们可以具体看看3D打印在各个行业中的案例。交通运输方面：更多的是一些市场化的企业，除了对3D打印制造技术的优势感兴趣额外，同时也十分关注成本，因此在交通运输领域，使用3D打印进行探索和开发多于实际的批量应用，当然，这其中也有3D打印自身的成本和批量产能限制的影响。对于一些塑料3D打印零件，更多的是使用在一些零件的开发验证中。也有少量的高端车型使用了3D打印零件进行个性化定制，如BMW MiniCooper的外观饰板以及宝马i8上使用的车窗导轨。航空航天方面：出于减重与强度要求，航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高，而这正是3D打印的优势。同时在航天领域，对于零件的性能要求的敏感度较高，对价格相对不敏感，也有利于3D打印技术的采用（主要是金属3D打印）。医疗方面：就是一些医疗器具，特别是定制化医疗器具，是十分匹配3D打印特点的一个领域，目前在齿科，骨科植入体，康复矫形器等方面有着良好的前景。每种技术都有自己的优势和局限，同时也会根据市场的需求调整自己的发展曲线，3D打印也是如此。如今，随着3D打印技术的推广和使用，并且被大多数国家和地区以及行业所接受和认可。加上后续在设计思维上的转变，材料种类的丰富，技术成熟度的提升，成本的下降，其会成为传统的制造业中非常重要的一个补充，成为新兴的生产行业和新兴的生产技术，促进传统制造业的转型升级。

5 总结

从长远点的角度来看，3D打印技术极有可能成为未来制造业的发展方向，并且促进了传统工业的变革，发展潜力巨大。但是机械化的大批量生产的优势却局限于生产大量完全相同的产品，在个性化需求越来越多的当今，其局限性也愈加明显。虽然3D 打印技术的出现填补了传统制造业的这一空缺，甚至成为了这一领域的革命性技术，但是目前的3D打印技术还处于发展的初级阶段，并非无所不能。3D打印在大尺寸超复杂构件和高成本难加工材料制造方面也有其明显短板，所以3D打印在现在和将来一段时间内应该与传统制造技术形成优势互补，很难产生颠覆性影响。

参考文献

[1]刘欣灵. 3D打印机及其工作原理[J].2012.

[2]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].2012.

[5]许延涛.3D打印技术一-产品设计新思维[J].2012.