淺析3D打印技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

王碩 宋勝利

【摘? 要】3D打印技術(shù)作為一種新興的快速成型技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)造型、機(jī)械制造、生物醫(yī)療、航空航天、高分子、軍工、建筑、影視、文化藝術(shù)等領(lǐng)域。論文對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】3D打印;快速成型技術(shù);優(yōu)勢(shì)

【Abstract】As a new rapid prototyping technology， 3D printing technology has been widely used in industrial modeling， mechanical manufacturing， biomedical， aerospace， polymer， military industry， architecture， film and television， culture and art and other fields. This paper introduces the 3D printing technology and analyzes its advantages.

【Keywords】3D printing; rapid prototyping technology; advantages

1 引言

3D打印技術(shù)亦稱增材制造技術(shù)，興起于20世紀(jì)八九十年代，發(fā)展于21世紀(jì)初，并逐漸成為科技界的研究熱點(diǎn)。2012年英國(guó)著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表了一篇名為《3D打印將推動(dòng)第三次工業(yè)革命》的文章。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在宣布“重整美國(guó)制造業(yè)”計(jì)劃演講中強(qiáng)調(diào)3D打印技術(shù)有可能改變?nèi)祟惿a(chǎn)制造模式，幾乎未來所有產(chǎn)品的制造都可通過3D打印技術(shù)完成。中國(guó)也正處于從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”邁進(jìn)的重要時(shí)期。我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人3D打印技術(shù)也很關(guān)心，2013年9月中央政治局就創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略到中關(guān)村集體調(diào)研學(xué)習(xí)，著重調(diào)研高性能大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，已經(jīng)在軍工、航空航天、高分子、生物醫(yī)療、電子制造、建筑、汽車模具、雕刻、首飾、考古等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打?。?D printing）技術(shù)，又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，是一種自下而上逐層堆積得到產(chǎn)品的制造方法。3D打印的原理類似于噴墨打印機(jī)，不同的是其噴出的材料是樹脂、粉末、絲材等[1]。該技術(shù)依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型（設(shè)計(jì)軟件通常為CAD、SolidWorks、UG等），將三維的物體“切”成片層，從而變成簡(jiǎn)單的二維物體，再采用激光熔融方法按照輪廓軌跡逐層堆積材料，最終形成三維實(shí)體零件，是與去除材料的制造方法截然不同的工藝。該技術(shù)增材的方式有三種：熔化堆積、燒結(jié)、粘結(jié)。3D打印技術(shù)改變了材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，帶來了材料性能的提升，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件制造一體化。

2.1 疊層實(shí)體制造（LOM）

疊層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技術(shù)，又稱為分層實(shí)體制造（SSM）技術(shù)。該技術(shù)以紙、塑料膜或者復(fù)合材料為原材料，通過一層層橫截面粘結(jié)形成初步模型，之后利用CO2激光器發(fā)射的激光束對(duì)模型進(jìn)行切割，從而得到最終的三維工件[2]。該工藝成型速率高，原材料便宜，不需支撐等輔助工藝，但成型后對(duì)廢料剝離費(fèi)時(shí)且浪費(fèi)嚴(yán)重，不能制造中空結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。

2.2 熔絲沉積成型（FDM）

熔絲沉積成型（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM）技術(shù)，又稱為熔融擠出成型工藝。該技術(shù)以ABS、PC、蠟等為原材料，通過噴頭噴出熔融的材料，以快速冷卻的方法將材料一層層牢固連接在一起[3]。FDM技術(shù)是根據(jù)LOM技術(shù)與SLA技術(shù)改進(jìn)而成，改進(jìn)了LOM技術(shù)表面精度差以及SLA技術(shù)原材料種類少的缺點(diǎn)。該技術(shù)原理簡(jiǎn)單，對(duì)使用環(huán)境沒有限制，打印出的成品不僅強(qiáng)度高，韌性還很好，但是打印速度較慢。

2.3 光固化成型（SLA）

光固化成型（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）技術(shù)，又稱為立體印刷技術(shù)。該技術(shù)為美國(guó)在20世紀(jì)八十年代后期研制成功，是出現(xiàn)較早以及較早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的快速成型技術(shù)。該技術(shù)以光敏樹脂為原料，用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光照射液體材料表面，使其由點(diǎn)到線，由線到面一層層的固化成為三維實(shí)體構(gòu)件。該工藝技術(shù)成熟，加工的工件表面精度高且加工速度快，但SLA系統(tǒng)昂貴，使用成本較高，對(duì)使用環(huán)境要求也很苛刻。

3 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 產(chǎn)品多樣化

對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造方式，工件的形狀越復(fù)雜，生產(chǎn)成本就越高。但對(duì)于3D打印技術(shù)而言，無論多么復(fù)雜的工件，都可以快速、準(zhǔn)確地打印出來。在建筑領(lǐng)域，建筑師用3D打印機(jī)打印出建筑模型，該方法既快速又環(huán)保而且制作精美，完全符合建筑師們的要求;在考古領(lǐng)域，專家們對(duì)原化石進(jìn)行掃描，利用3D打印技術(shù)制作出合適的化石模型，該模型可以放大也可以縮小，更加適合研究;在食品領(lǐng)域，企業(yè)用3D打印機(jī)打印出各式各樣的食品，顧客們還可以按照自己的需求打印食物，深受廣大顧客的青睞。由于3D打印技術(shù)可以制造復(fù)雜的物品而不增加成本，打印出的產(chǎn)品也越來越多樣化，該技術(shù)很可能改變計(jì)算制造成本的方式。

3.2 材料利用率高，降低成本

傳統(tǒng)減材制造方法原材料的利用率僅為7%，而3D打印技術(shù)突破了結(jié)構(gòu)幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，3D打印僅在需要的地方堆積材料，材料利用率接近100%，不僅節(jié)約了時(shí)間更極大節(jié)約了材料和制造成本。

3.3 生產(chǎn)快速

3D打印機(jī)可以按需打印。客戶將需求發(fā)送給企業(yè)，企業(yè)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后利用3D打印機(jī)可快速生產(chǎn)出客戶需要的工件。3D打印技術(shù)還可以使工件一體化成型，因此不需要組裝，降低了組裝與運(yùn)輸成本。

3.4 提高復(fù)雜零件使用性能

對(duì)于復(fù)雜零件的生產(chǎn)，通過傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式往往很難完成，從而影響零件的使用性能。例如，反應(yīng)器在實(shí)際使用的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，在反應(yīng)器內(nèi)部加上網(wǎng)格結(jié)構(gòu)則有利于散熱，傳統(tǒng)的零件生產(chǎn)方式很難生產(chǎn)出零件內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)成本還很高，而利用3D打印技術(shù)則可以很容易完成。

3.5 方便設(shè)計(jì)，拓展創(chuàng)新空間

3D打印技術(shù)可快速、精準(zhǔn)地將建筑師的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)為實(shí)體建筑模型，使得建筑設(shè)計(jì)的表現(xiàn)更加具體直接。傳統(tǒng)制造技術(shù)的產(chǎn)品形狀固定，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機(jī)只能加工用銑刀組裝的部件，制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開辟巨大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間，極大地發(fā)揮設(shè)計(jì)者的想象力。

3.6 提高模具開發(fā)成功率

3D打印無論在成本、速度和精確度上都要比傳統(tǒng)制造方法好很多，具有高度柔韌性、個(gè)性化和實(shí)體自由成型特點(diǎn)。使其在零件的快速制造中應(yīng)用日益廣泛。應(yīng)用3D打印技術(shù)可快速制造模具，在最終生產(chǎn)模具開模前，先進(jìn)行產(chǎn)品的試制與小批量生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)的一次性成功率，為企業(yè)節(jié)約開發(fā)時(shí)間與成本。

3.7 實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)制造模式

3D打印能使部件一體化成型，減少了零件組裝的步驟，縮短了供應(yīng)鏈，減少了勞動(dòng)力成本與運(yùn)輸成本。減少了這些中間環(huán)節(jié)，污染也隨之減少，生產(chǎn)也就更加綠色環(huán)保。與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)占據(jù)的空間更少，而且3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品，材料利用率高，污染少。

4 結(jié)語

雖然3D打印技術(shù)具有很多的優(yōu)勢(shì)，但3D打印技術(shù)仍存在打印的尺寸有限，設(shè)備價(jià)格昂貴，專業(yè)人員操作技能不夠成熟等問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的3D打印應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展延伸，3D打印速度、尺寸也將大大提升，生產(chǎn)出的工件色彩也將更加絢爛與逼真。未來的3D打印技術(shù)將對(duì)裝備制造技術(shù)產(chǎn)生變革性影響，帶來重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革命，將會(huì)變革生產(chǎn)制造模式和維護(hù)保障模式。

【參考文獻(xiàn)】

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