3D打印技術(shù)原理及發(fā)展應(yīng)用

摘 ?要： 近些年，隨著人類科學(xué)和社會(huì)的不斷進(jìn)步，對加工制造技術(shù)也提出了更高的要求，3D打印技術(shù)作為一種新型的快速加工成型技術(shù)開始逐漸發(fā)展成熟起來，在生物醫(yī)學(xué)、建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、美術(shù)制作等領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用。本文綜述了3D打印技術(shù)的發(fā)展過程，詳細(xì)介紹了3D打印技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)過程，分析了3D打印技術(shù)在仿真建模與工藝流程上的具體實(shí)現(xiàn)方法，比較了3D打印技術(shù)和其它打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對3D打印技術(shù)的發(fā)展和未來進(jìn)行了一定程度的展望。

關(guān)鍵詞：?3D打印;仿真3D建模;數(shù)控操作

中圖分類號(hào)： TP391.7????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.039

本文著錄格式：張家寓. 3D打印技術(shù)原理及發(fā)展應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（9）：172-175

Principle and Development of 3D Printing Technology

ZHANG Jia-yu

（Affiliated Middle School to Inner Mongolia Normal University，?Inner Mongolia Autonomous Region，?Huhhot 010020，?China）

【Abstract】： In recent years， with the continuous progress of human science and society， higher requirements have been put forward for processing and manufacturing technology. As a new type of rapid prototyping technology， 3D printing technology has gradually developed and matured， and has been applied in biomedicine， architecture， industrial design， art production and other fields to varying degrees. This paper summarizes the development process of 3D printing technology， introduces the basic principle and implementation process of 3D printing technology in detail， analyses the specific implementation methods of 3D printing technology in simulation modeling and process flow， compares the advantages and disadvantages of 3D printing technology and other printing technologies， and finally makes a certain prospect for the development and future of 3D printing technology.

【Key words】： Three-dimensional printing;?Simulation of three-dimensional modeling;?Numerical control operation

0??引言

21世紀(jì)是一個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，為了躋身工業(yè)化強(qiáng)國行列，一個(gè)國家的工業(yè)化加工制作技術(shù)顯得尤為重要。新時(shí)代的加工制作技術(shù)有了更多的實(shí)現(xiàn)方式，從總體上分為三類：增材制造，減材制造和形變制造技術(shù)^[1]。其中增材制造技術(shù)又被稱為3D打印技術(shù)。

3D打印技術(shù)^[2，3]是一門涉及機(jī)械工程、電子工程、材料學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等學(xué)科的綜合技術(shù)，是一種新型的加工制造方法。3D打印技術(shù)是通過掃描實(shí)際物體三維模型或者計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)三維物體模型得到物體三維數(shù)據(jù)，對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分層并進(jìn)行路徑規(guī)劃，最后利用粉末，液體等材料打印成型的一種技術(shù)。同減材制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)速度快，加工精度更高，更加省材，在微小復(fù)雜工件的加工制作方面具有更大的優(yōu)勢。目前已經(jīng)逐步應(yīng)用于機(jī)械關(guān)鍵零部件，奢侈品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，生物醫(yī)療方面器官打印等方面。

19世紀(jì)末，3D打印核心制造思想在美國誕???生^[4]。1979年，美國科學(xué)家獲得早期3D打印技術(shù)專利并隨后在1985年左右得到了進(jìn)一步發(fā)展具備了3D打印技術(shù)的基本雛形^[5]。20世紀(jì)80年代后期，市場化的3D打印機(jī)正式出現(xiàn)^[6]。進(jìn)入21世紀(jì)，各種基于不同打印材料（液體狀、粉末狀、片狀），不同打印方式（熔融沉積成形、激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造等）的3D打印機(jī)不斷出現(xiàn)更新^[7，8]。更加廉價(jià)實(shí)用化的材料，更加快速準(zhǔn)確的加工方式，更加多元化的應(yīng)用領(lǐng)域使3D打印技術(shù)具有了更加廣闊的前景^[9，10]。

本文詳細(xì)介紹了3D打印技術(shù)的發(fā)展背景和基本原理知識(shí)，并圍繞硬件和軟件兩方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，分析了3D打印技術(shù)在仿真建模與工藝流程上的具體實(shí)現(xiàn)方式，比較了3D打印技術(shù)和其它打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對3D打印技術(shù)的發(fā)展和未來進(jìn)行了一定程度的展望。

1??3D打印技術(shù)的基本原理

3D打印技術(shù)雖然有不同實(shí)現(xiàn)的打印方式，但從整體上可以劃分為四個(gè)步驟：三維掃描建模，分層和路徑規(guī)劃，數(shù)控打印，實(shí)物成型。

三維掃描建模：在打印之前我們必須首先獲取物體的三維形貌，將需要打印的物體用三維輪廓儀進(jìn)行掃描，記錄下被打印物體的三維形貌信息。也可以在計(jì)算機(jī)上直接構(gòu)建出想要打印的物體的三維輪廓。

分層和規(guī)劃路徑：3D打印核心原理是分層打印，根據(jù)打印物體的材料，打印精度等需要首先確定打印物體的三維輪廓分為多少層二維平面圖像，分割的層數(shù)越多，打印精度相對越高整體性越好，但是時(shí)間花費(fèi)和加工成本也會(huì)相應(yīng)增加。計(jì)算機(jī)根據(jù)掃描切割而成的多個(gè)二維圖像進(jìn)行精密的分析與修改，規(guī)劃出打印成品所需控制每層所需要走過的路徑信息，通常路徑規(guī)劃對于加工樣品和質(zhì)量和加工速度都會(huì)產(chǎn)生很大影響。

數(shù)控打?。焊鶕?jù)規(guī)劃好的路徑信息輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制相應(yīng)的硬件進(jìn)行工作，具體的3D打印技術(shù)可以分為很多不同的種類，根據(jù)所選材料及外界環(huán)境等因素的影響，在實(shí)際打印中會(huì)選擇不同的打印機(jī)與不同的打印方式。我們在這里對選擇性激光燒結(jié)，光固化和熔融沉積造型三種不同的打印方式進(jìn)行過詳細(xì)的分析與總結(jié)。

實(shí)物成型：最后當(dāng)每層都打印完成后，實(shí)物成型，打印結(jié)束。

1.1 選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS）

選擇性激光燒結(jié)是1989年美國德克薩斯大學(xué)提出，采用一種用特定波長與強(qiáng)度的激光，逐層將粉末材料燒結(jié)成型形成三維實(shí)體的一種3D打印方式，簡稱SLS。選擇性激光燒結(jié)工藝使用的是粉末狀材料，根據(jù)規(guī)劃好的路徑在計(jì)算機(jī)的控制下用激光器對粉末材料進(jìn)行選擇性的分層燒結(jié)，一層結(jié)束后進(jìn)行下一層燒結(jié)操作實(shí)現(xiàn)層層堆積。選擇性激光燒結(jié)的原理圖如圖2所示。

首先將粉末平鋪到已成型工件的上表面，計(jì)算機(jī)操控激光束根據(jù)規(guī)劃好的路徑進(jìn)行逐層掃描使粉末升溫融化進(jìn)行燒結(jié)和已經(jīng)打印完成的部分融合為一體。當(dāng)本層打印完畢，工作臺(tái)進(jìn)行高度改變，從新鋪上粉末進(jìn)行新層的操作如剛才過程所示直至加工完全成型。

1.2激光光固化技術(shù)（Stereolithography Apparatus?SLA）

激光光固化技術(shù)是在1984年在美國出現(xiàn)，采用特定波長與強(qiáng)度的激光照射到材料表面使光固化材料逐漸進(jìn)行凝固成型的一種發(fā)展較早的技術(shù)，由點(diǎn)到線到面到三維物體，簡稱SLA。工作時(shí)，液態(tài)光敏樹脂材料放在槽中，采用特定波長與強(qiáng)度的激光照射到材料表面，根據(jù)規(guī)劃好的路徑在計(jì)算機(jī)的控制下用激光器對光敏樹脂材料進(jìn)行逐點(diǎn)掃面，照射到的區(qū)域進(jìn)行固化變成固體，未照射部分還是液體。當(dāng)前層掃描完畢后，工作臺(tái)進(jìn)行高度移動(dòng)，繼續(xù)覆蓋新的液態(tài)光敏樹脂在已經(jīng)固化好的物體上，繼續(xù)進(jìn)行上一步操作，直至所有層都固化完畢。激光光固化技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間少，應(yīng)用通用性強(qiáng)，并且加工精度高，具有不錯(cuò)的加工性價(jià)比。

1.3熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling， FDM）

熔融沉積成型是ScottCrump在1988年提出的。是一種通過把噴頭加熱使熱塑性材料通過時(shí)擠出固化粘結(jié)成型的3D打印技術(shù)。原理過程如下圖所示：塑膠通過末端加熱頭變成熔融狀態(tài)，在從噴嘴出來時(shí)溫度降低冷卻凝固在一起，通過數(shù)控控制噴嘴頭的位置改變可以實(shí)現(xiàn)逐層的打印。當(dāng)本層打印完畢，改變平臺(tái)高度繼續(xù)進(jìn)行下一層打印直到打印結(jié)束。

1.4 不同3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

我們對上述3中3D打印技術(shù)進(jìn)行了總體的分析比較如表1所示。

2??3D打印技術(shù)的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：目前3D打印在生物醫(yī)學(xué)方面很重要的一個(gè)應(yīng)用是生物打印技術(shù)，目前已經(jīng)有研究報(bào)道，骨組織，軟管等通3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了再現(xiàn)，隨著技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)步，打印人體器官實(shí)現(xiàn)移植也會(huì)逐步應(yīng)用到臨床中。同其它技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有更高的準(zhǔn)確性，并且可以對生物器官等內(nèi)部具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體實(shí)現(xiàn)打印再現(xiàn)。另外通過3D打印技術(shù)制造的醫(yī)療器械也已經(jīng)慢慢投入生產(chǎn)，更

加滿足醫(yī)生的需求。

超精密器件應(yīng)用：3D打印技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是可以打印一些小的而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，對于一些超精密儀器來說，通常不好加工并且價(jià)格昂貴，

3D打印技術(shù)很好的解決了這一點(diǎn)，舉個(gè)例子對高精度的光學(xué)透鏡進(jìn)行加工。傳統(tǒng)的超精密透鏡加工步驟繁瑣，生產(chǎn)周期長，成本高，通過3D打印可以很好的解決這些問題，目前3D打印對玻璃材料仍處于研究階段。目前可實(shí)現(xiàn)高精度成形控制的方法有熔融沉積成形（FDM）。

在工業(yè)方面的應(yīng)用：摩托車車架、汽車外殼甚至飛機(jī)零件等大物品，需要較大的打印機(jī)和更大的放置空間，這一技術(shù)如今在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，人們用它來制造服裝、建筑、汽車等，顛覆了傳統(tǒng)工業(yè)的加工制造技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。

3??總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了3D打印技術(shù)的發(fā)展過程和基本原理知識(shí)、3D打印技術(shù)在仿真建模與工藝流程上的具體實(shí)現(xiàn)方法、比較了不同3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)并對3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了介紹。

在人類的生產(chǎn)生活中，難免會(huì)遇到生產(chǎn)加工方面的困難。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展在極大程度上減輕了勞動(dòng)人民的負(fù)擔(dān)，大大降低了制造的成本和所需時(shí)間，提高了人們工作的效率，這對人類現(xiàn)在乃至以后的科技發(fā)展生產(chǎn)力提升有著里程碑般的意義。但是3D打印技術(shù)仍存在著一些局限性，比如目前打印材料的范圍有限，限制了3D打印技術(shù)的進(jìn)一步推廣;目前的3D打印很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，一個(gè)很大的原因就是速度仍然不是特別快有待進(jìn)一步提高，無論在三維信息分層還是每層的路徑規(guī)劃

都有待進(jìn)一步改進(jìn)算法，提升效率和準(zhǔn)確度，另外材料的選擇和成品的耐用性都還有很大的提升空間，如果未來在這些局限因素上多下功夫，我相信這項(xiàng)技術(shù)將具有極高的地位與長遠(yuǎn)的前景。

參考文獻(xiàn)

• 李小麗， 馬劍雄， 李萍， 等. 3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J]. 自動(dòng)化儀表， 2014， 35（1）： 1-5.
• 劉利剛， 徐文鵬， 王偉明， 等. 3D打印中的幾何計(jì)算研究進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2015， 38（6）： 1243-1267.
• 盧秉恒， 李滌塵. 增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化， 2013， 42（4）： 1-4.
• 王雪瑩. 3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)， 2012（26）： 3-5.
• 王忠宏， 李揚(yáng)帆， 張曼茵. 中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]. 經(jīng)濟(jì)縱橫， 2013（1）： 90-93.
• 張學(xué)軍， 唐思熠， 肇恒躍， 等. 3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 材料工程， 2016， 44（2）： 122-128.
• 楊恩泉. 3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2013（1）： 13-17.
• 楊永強(qiáng)， 劉洋， 宋長輝. 金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2013（4）： 1-7.
• 鄧濱， 歐陽漢斌， 黃文華. 3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志， 2016， 33（4）： 389-392.
• 余冬梅， 方奧， 張建斌. 3D打印： 技術(shù)和應(yīng)用[J]. 金屬世界， 2013（6）： 6-11.