3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢分析

張宇 內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、3D打印的原理

3D打印作為目前工業(yè)制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)，集合了多種技術(shù)，包括分層制造技術(shù)、機械工程、數(shù)控技術(shù)、CAD、激光技術(shù)、逆向工程技術(shù)、材料科學(xué)等，可以直接、快速、自動、精確地將三維設(shè)計模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種低成本的高效實現(xiàn)手段。3D打印技術(shù)的基本原理是斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印則是通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體技術(shù)，因此3D打印制造技術(shù)又被稱為“增材制造技術(shù)”。

二、3D打印的關(guān)鍵技術(shù)

3D打印技術(shù)需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，主要包括以下方面：信息技術(shù)，即要有先進的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機械，即3D打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的生產(chǎn)要求高精度，必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。

1.三維噴繪打印技術(shù)。三維噴繪（3DP）技術(shù)是現(xiàn)階段最為常用的一種3D打印方式。所用設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印機，可以適配多種粉末打印材料，例如陶瓷粉末、塑料粉末以及骨粉等。預(yù)設(shè)程序、建立模型后，在計算機指令控制下，先鋪一層粉末，然后移動噴嘴，通過噴嘴將粘合劑噴到制定的區(qū)域，使粉末狀的材料粘結(jié)在一起。完成第一層打印后，可以得到產(chǎn)品的雛形，然后繼續(xù)重復(fù)上述步驟，在多次鋪粉、噴涂、粘結(jié)以后，最終得到所需的產(chǎn)品。如果需要打印彩色產(chǎn)品，可以選擇相應(yīng)顏色的粘結(jié)劑。

2.激光光固化技術(shù)。SLA以光敏樹脂為原料，這種液態(tài)材料在一定波長（λ=325nm）和強度（E=30mw）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中會先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。

3.SLS選取激光燒結(jié)技術(shù)。SLS工藝中使用到的設(shè)備有激光器、掃描鏡、平整輥等。技術(shù)流程為：首先在作業(yè)臺上鋪上一層合適厚度的粉末材料，可以選擇聚碳酸酯粉末、尼龍粉末、陶瓷粉末，其最大的獨特性是能夠使用金屬粉末直接制造金屬制品。然后預(yù)設(shè)程序、讀取模型，在計算機控制指令下，CO2激光器會發(fā)出激光束，并通過掃描鏡照射作業(yè)臺上的粉末材料。由于激光具有極高的能量，會對粉末材料進行燒結(jié)，首先形成產(chǎn)品的外部輪廓，然后繼續(xù)鋪粉，由外向內(nèi)的燒結(jié)粉末，經(jīng)過多次鋪粉、多次燒結(jié)后，最終形成所需的產(chǎn)品。相比于上述幾種3D打印方法，基于SLS工藝的選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)工藝流程相對簡便，而且產(chǎn)品制作的速度較快。但是這一技術(shù)也存在缺陷，例如打印件表面粗糙，由于SLS工藝所使用原材料為粉末狀的，原型制作過程是由材料粉層加熱熔化實現(xiàn)逐層燒結(jié)，因此原型表面為粉粒狀，表面質(zhì)量不高。

三、3D打印技術(shù)應(yīng)用趨勢

1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不亞于一場革命，利用3D打印技術(shù)可實現(xiàn)人體器官、齒形矯正、手術(shù)導(dǎo)板、骨骼的打印，其中打印出的骨骼，可暫時代替人體骨骼支撐，同時在受損骨骼康復(fù)后，打印骨骼可以自然無害溶解。此外，3D打印技術(shù)還可打印軟骨組織，如半月板，目前該應(yīng)用在美國已經(jīng)逐步普及。隨著3D打印技術(shù)的進步、各類3D打印醫(yī)療應(yīng)用的增加、定制化3D打印醫(yī)療產(chǎn)品的增長，以及3D打印技術(shù)對患者康復(fù)和護理方面提供的便利，3D打印技術(shù)在未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景極其廣闊。

2.航空領(lǐng)域。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域可用于先進機械零部件的加工制造，實現(xiàn)減輕重量、增加使用壽命的作用。傳統(tǒng)制造方法已經(jīng)將零件減重發(fā)揮到了極致，但是運用3D打印技術(shù)對復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化，通過將復(fù)雜結(jié)構(gòu)重新設(shè)計為簡單結(jié)構(gòu)，可在保證性能的前提下減輕零部件重量，使零件應(yīng)力呈現(xiàn)出合理化分布，減少疲勞裂紋產(chǎn)生的危險，延長零部件使用壽命。以我國生產(chǎn)的大型客機C919所使用發(fā)動機LEAP-1C發(fā)動機為例，該發(fā)動機運用3D打印拓?fù)鋬?yōu)化后，燃料噴嘴相比傳統(tǒng)燃油噴嘴在多方面取得了進步，部件數(shù)量上由20件降為1件，整體重量減輕25%，使用壽命提升5倍以上。

3.考古領(lǐng)域。3D打印技術(shù)可以助力文物修復(fù)或重建，破損古文物經(jīng)3D掃描，完成數(shù)據(jù)采集和處理，即可建立模型并打印，具備操作簡單、成型快速、還原度高等諸多優(yōu)點。早在2014年，重慶大足石刻景區(qū)就曾應(yīng)用3D打印技術(shù)對千手觀音像進行修復(fù)。相比通過手工鑄模修復(fù)，3D打印技術(shù)可以提供文物的精準(zhǔn)數(shù)字模型作為參考，減少因高頻次觸碰文物造成二次損壞，還可以為修復(fù)工作提供多種方案嘗試的可能性。隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用的不斷成熟，3D打印與3D掃描技術(shù)在考古研究、文物保護中將發(fā)揮更大的價值。

3D打印技術(shù)在理論上較為完備，技術(shù)工藝上仍在不斷創(chuàng)新突破。作為一項革新的技術(shù)，3D打印改變了人們的思維方式，給科學(xué)研究提供了強有力的工具，并有望創(chuàng)造出巨大的社會和經(jīng)濟效益。目前，3D打印技術(shù)已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、考古領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，未來隨著新技術(shù)的進步、新材料的突破，3D打印技術(shù)將持續(xù)深入各行業(yè)、全領(lǐng)域，促進國防、醫(yī)療、民生、教育等領(lǐng)域科技進步，為人類的生活、工作、健康等提供更廣闊得空間。