李文竹 張勇(通訊作者) 李策 通化師范學(xué)院物理學(xué)院
3D 打印技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建實(shí)體,利用粉末狀金屬、塑料或尼龍等可粘合材料,通過(guò)逐層打印累加的方式來(lái)任意構(gòu)造物體的新興技術(shù)。近些年來(lái),美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家掀起了3D 打印的狂潮,隨著21 世紀(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展,3D 打印技術(shù)已經(jīng)逐步走向成熟,各項(xiàng)技術(shù)逐漸被完善。目前,3D 打印技術(shù)正在改變著很多人的生產(chǎn)生活方式,在醫(yī)學(xué)、考古、文物、建筑與制造、航天航空等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。醫(yī)生通過(guò)3D 打印技術(shù)制作病毒、細(xì)胞、骨骼和器官等模型。
3D 打印的出現(xiàn),催生了眾多新穎的設(shè)計(jì)理念,推動(dòng)了社會(huì)許多新型開(kāi)發(fā)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。伴隨著社會(huì)日新月異的發(fā)展,3D 打印技術(shù)終將改變著人們的生活方式以及產(chǎn)品的生產(chǎn)方式,進(jìn)一步改變著國(guó)家乃至世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和格局。
3D 打印的運(yùn)行過(guò)程:
(1)建立三維模型
確定三維模型的軟件不是唯一的,建立三維模型可以使用CATIA、AutoCAD、SkethUP 等三維建模軟件,也可以使用Z Crop或者3D Cemega 等3D 掃描設(shè)備來(lái)獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理,以數(shù)字化的方式生成所需的三維模型。
(2)分層切割
3D 打印機(jī)并不能直接將物體通過(guò)3D 打印的方式打印出來(lái),而是要通過(guò)打印機(jī)專門(mén)配置的軟件來(lái)進(jìn)一步處理,通過(guò)三維數(shù)字模型,將模型分為一個(gè)個(gè)的二維圖形,一個(gè)個(gè)二維圖形就成了一層層的薄片,每個(gè)薄片的厚度由打印機(jī)的規(guī)格和噴涂材料的屬性決定。
(3)創(chuàng)造三維模型
三維模型的實(shí)現(xiàn)方式是根據(jù)不同的原理,引發(fā)不同的生產(chǎn)方式。第一種方法是利用3D 打印機(jī)將需要打印的材料和特制材料的膠水按照先前所提供二維圖形信息,通過(guò)層層疊加在一起形成最終的三維模型;第二種方法是通過(guò)使用高能激光融化合金材料,再一層層地熔結(jié)形成三維模型。
(4)后期處理加工
每個(gè)模型在打印完成之后表面都會(huì)有變得粗糙或者產(chǎn)生殘留、出現(xiàn)毛刺的現(xiàn)象,這都需要對(duì)模型進(jìn)行再加工,比如修整、打磨、固化處理等。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,3D 打印能夠制作人體器官的替換品。3D 打印技術(shù)可以打印出人體的骨骼,也就是我們常說(shuō)的人造骨骼,這種骨骼不僅可以代替原本的骨骼讓肌肉生長(zhǎng),還能修復(fù)之前骨骼細(xì)胞的損傷,待原本的骨骼生長(zhǎng)完全之后,它還可以在身體里面自然地和肌肉溶解在一起,不會(huì)給人體造成壓力,也不會(huì)產(chǎn)生副作用。2013 年,世界上首例使用3D 打印制作骨骼的人造下顎成功地替換了受損骨骼,病人成功得到了救治。
在航天航空方面,有許多先進(jìn)的零件需要加工,而我們現(xiàn)有的技術(shù)還不足以加工很復(fù)雜的零件,因此,3D 打印技術(shù)就能彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)上的缺陷,制造精密熔模鑄造的原型。在中國(guó)突破了超高強(qiáng)度鋼、鈦合金等難加工的大型復(fù)雜重要部件的關(guān)鍵技術(shù),在其他國(guó)家,3D 打印技術(shù)能夠給波音公司制造出幾百種復(fù)雜的零部件。2013 年,美國(guó)一研究人員利用3D 打印技術(shù),使用高功率激光束將細(xì)金屬粉末進(jìn)行熔化并融合成3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器,并測(cè)試成功,此次測(cè)試的成功解決了噴射器制作工作量大、制作時(shí)間長(zhǎng)、成本高等傳統(tǒng)工業(yè)遇到的問(wèn)題。
近年來(lái),3D 打印發(fā)展的愈加迅速,這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),其顛覆了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和供應(yīng)格局,這無(wú)疑促使了現(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)取得顯著性進(jìn)步。不需要傳統(tǒng)的工具,直接呈現(xiàn)出來(lái)的是三維立體物體,可以自動(dòng)地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際模型,甚至直接轉(zhuǎn)化為無(wú)需加工的零部件,從而有效的縮短了產(chǎn)品的研發(fā)與制造周期,高效地利用新型材料,幫助3D 打印技術(shù)更好更快發(fā)展。
3D 打印作為一種現(xiàn)代新興技術(shù)在給我們帶來(lái)便利的同時(shí),多方面也存在著一些不足需要去探索糾正。就3D 打印的應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō),雖然應(yīng)用的方面很廣,但仍然有許多不發(fā)達(dá)地區(qū)了解不到3D 打印的具體功能和作用,這項(xiàng)技術(shù)并不能遍及我國(guó)的大部分地區(qū),3D 打印很難在短時(shí)間內(nèi)遍布各地,得不到良好的發(fā)展。
其次,在技術(shù)方面:常見(jiàn)的熔融沉積技術(shù)精度較差,速度較慢;立體光固化技術(shù)耗材成本較高,強(qiáng)度較低,材料強(qiáng)度和耐久度較低;在環(huán)保和能耗方面,目前市場(chǎng)上普遍使用的3D 打印機(jī)需要連續(xù)工作28 小時(shí)才能打印出一個(gè)大小約30 厘米的不規(guī)則立體塑料模型,在激光燒結(jié)金屬時(shí),需要將材料預(yù)熱到熔化點(diǎn),才能使用激光再一層層地掃描,造成了大量的不必要的能源消耗,而被消耗的材料無(wú)法進(jìn)行回收,浪費(fèi)了許多材料。
總的來(lái)說(shuō),3D 打印出現(xiàn)問(wèn)題的根本原因大多數(shù)是發(fā)生在打印材料本身上的,這就需要研究者進(jìn)一步對(duì)打印技術(shù)的材料進(jìn)行全面的研究。
針對(duì)我們目前對(duì)3D 打印材料出現(xiàn)的問(wèn)題,需要從以下幾個(gè)方面來(lái)解決:
(1)對(duì)現(xiàn)有的可以進(jìn)行3D 打印材料的性能加深了解,從而剖析其真正的實(shí)用性。例如材料的密度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、熔點(diǎn)和物理性能等。由于3D 打印技術(shù)應(yīng)用的范圍較廣,模型不同,工藝要求就不同,材料就不同,各取所需。
(2)繼續(xù)開(kāi)發(fā)新型材料,比如許多優(yōu)質(zhì)的合金材料、復(fù)合材料、納米材料、梯度材料等,讓越來(lái)越多的材料都可以實(shí)現(xiàn)3D 打印。材料的性質(zhì)對(duì)3D 打印技術(shù)的發(fā)展起著無(wú)庸置疑的關(guān)鍵作用。為使得3D 打印技術(shù)能夠更加環(huán)保節(jié)能的發(fā)展,還可以充分發(fā)揮利用新能源的優(yōu)勢(shì),將3D 打印技術(shù)與太陽(yáng)能能源相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)3D 打印技術(shù)和太陽(yáng)能能源之間的相互利用。
(3)給3D 打印制定專業(yè)的行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的橋梁和紐帶。國(guó)家工信部在2015 年2 月聯(lián)合發(fā)改委及財(cái)政部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016 年)》,明確指出我國(guó)3D 打印技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)及方向,主要核心技術(shù)還有待突破,許多器件、工藝,設(shè)備等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善。
3D 打印是一種快速生成技術(shù),對(duì)不少領(lǐng)域的發(fā)展都起了舉足輕重的作用。本文對(duì)3D 打印技術(shù)的原理過(guò)程進(jìn)行了介紹,還對(duì)3D 打印技術(shù)在三個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述,比較詳細(xì)地在幾個(gè)方面分析了其優(yōu)勢(shì)和不足,并指出關(guān)于3D 打印技術(shù)問(wèn)題解決的關(guān)鍵是3D 打印材料的不完善??傊矐n參半,3D 打印技術(shù)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,還需權(quán)衡利弊,繼續(xù)努力。雖然現(xiàn)有的技術(shù)不能完全推動(dòng)3D打印技術(shù)良好發(fā)展,3D 打印也面臨著很多困難,但我們要相信,隨著社會(huì)的飛快進(jìn)步,很多問(wèn)題都會(huì)迎刃而解的。