3D打印技術的原理及應用

趙彪　王文鵬　張士超　劉天奇

摘 要：隨著科技的進步與發(fā)展，人們需要一種能制作出任何能想到形狀的物品的技術，這種技術不同于傳統(tǒng)的制造業(yè)，它可以生產(chǎn)出任何形狀的產(chǎn)品，并且具有更快捷以及更低成本的投入等優(yōu)點。3D打印技術實現(xiàn)了這種可能。3D打印技術可用于航天科技，音樂行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，建筑領域，制造業(yè)和許多其他領域。這種技術已經(jīng)被應用與各種模型的制造、工業(yè)產(chǎn)品的設計等領域被用于制造模型，也可以直接用于一些產(chǎn)品的制造，越來越多的行業(yè)和領域使用這項技術意味著這項技術正在普及。

關鍵詞：3D打印;模具制造;工業(yè)設計

一、3D打印技術簡介

3D打印技術，又有3D印刷技術或快速制造技術之稱。這項技術的產(chǎn)生是工業(yè)制造行業(yè)一個重大的轉(zhuǎn)折點。這項技術是將快速自動成型系統(tǒng)與計算機數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，可以制造任何復雜的工業(yè)產(chǎn)品，并且不需要任何額外的常規(guī)模具制造和機械加工。這種技術的誕生大大縮短了工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，與傳統(tǒng)的工業(yè)制造和加工方式相比較，這項技術大幅度降低了生產(chǎn)成本。在2005年我國逐漸重視并開始大力發(fā)展這項技術后，這項技術已經(jīng)被應用到很多領域，特別是在醫(yī)療領域、軍事領域和航空航天等領域。早在2011年，一個荷蘭的醫(yī)療機構(gòu)給一名80多歲的老人打印出了金屬下頜骨。2017年，我國的建筑3D打印公司盈創(chuàng)與沙特阿拉伯的一家公司簽訂了價值100億元的合同，盈創(chuàng)將在沙特阿拉伯的國王的見證下使用3D打印技術在沙特建造三千萬平方米的3D打印建筑，這個被打印出來的建筑將被用于解決沙特持續(xù)增長的住房危機。這些應用都只是3D打印技術所被應用的一小部分，這種技術還被用于制造各種工業(yè)模型，以及一些產(chǎn)品的直接制造，現(xiàn)已有很多使用這種技術打印而成的產(chǎn)品及零部件。這項技術在工業(yè)設計、建筑業(yè)、服裝類設計、汽車制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育相關器材的設計與制造、土木工程、武器制造以及其他領域都有所應用。

二、3D打印機的工作簡介

3D打印技術主要被應用于3D打印機。3D打印機的工作流程先是通過繪圖軟件或其他方式建立三維立體的模型，然后將得到的三維模型在電腦或3D打印機上以一定的厚度進行橫向的切片處理，這種切片處理相當于將整個三維立體模型橫向剖成無數(shù)個平面，由3D打印機的XY軸打印系統(tǒng)打印這一平面，打印好第一個的平面后再移動Z軸，打印下一平面，由下向上，層層相疊，最后打印出完整的產(chǎn)品。打印出的分層越薄，生成產(chǎn)品的精度越高。3D打印工作主要分三部分——建模、打印、完成。3D打印模型可以在電腦上用軟件生成，也可以使用三維掃描儀生成。通過人工手動收集3D圖像所需的幾何數(shù)據(jù)，收集過程同雕塑等造型藝術類似。也可以使用3D掃描儀，可以生成相關物體的三維模型。但是無論使用哪種方法得到的三維立體模型，都需要轉(zhuǎn)換成.STL或.OBJ這類打印機可以識別的文件類型。需要注意的是，生成使用STL格式文件打印3D模型前需要先進行“流形錯誤”檢查，這一步通常稱為修正。對于3D打印機的打印流程來說，STL文件修正尤為重要，因為使用3D掃描儀生成的模型通常會有大量流形錯誤。使用3D掃描儀生成模型常見的錯誤包括：本應相互連接的各表面沒有連接在一起，要打印的模型各處存在不應該存在的空隙等等。完成修正和調(diào)整后，用戶可以用一種名為“slicer”的軟件，這個軟件可以將STL文件中的三維立體模型切割成指定厚度的薄層，在切割的同時生成G代碼文件，這種文件中包括3D打印機的指令。接下來，用戶才可以開始打印。實際應用中的3D打印機通常會包含擁有此類功能的軟件。這些軟件一般都與各種開源或不開源的切片軟件相互配合完成打印工作。盡管現(xiàn)階段的3D打印技術分辨率能滿足大多數(shù)產(chǎn)品的要求，但不能排除有的產(chǎn)品需要更高的打印精度。3D打印技術的打印分辨率指的是單個打印層的厚度以及長和寬分辨率，一般打印分辨率的單位為微米。每個打印層的厚度一般為100微米，但有些打印機，可以打印層厚為16微米的產(chǎn)品，打印分辨率與激光打印機不相上下。打印更高分辨率產(chǎn)品的方法是：先用標準分辨率打印出一個比要打印模型體積更大的模型，打印出來后的標準產(chǎn)品用比標準分辨率更高的分辨率調(diào)整打印出來的產(chǎn)品，并將有瑕疵的地方修正和調(diào)整。這樣就可以得到精度更高的3D打印產(chǎn)品。除了打印精度外，3D打印技術往往還有一個因素一般也受人關注，那就是打印時間。根據(jù)現(xiàn)在的打印技術以及打印工藝及打印材料的制約，并且還要考慮到模型大小和模型復雜程度的不同，打印的時間從幾個小時到幾天不等，特別復雜的物品打印時間甚至更長。當然，具體打印時間主要由打印機型號，模型大小的不同會有較大變化。在3D打印機的幫助下，各個領域的設計者和概念開發(fā)團隊都獲得了極大的便利。

三、結(jié)語

3D打印技術隨著科技的發(fā)展越來越接近人們的生活，相對于傳統(tǒng)的加工生產(chǎn)方式，它帶來的是生產(chǎn)加工理念的革命性改革，它幾乎可以打印所有形狀的物品。并且由于其個性化定制的特點以及在特殊領域的廣泛應用，我相信3D打印技術一定會在“中國制造2025”計劃中大放異彩！

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