3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用研究

丁雪晨

（河南輕工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450000）

本文將以3D打印技術(shù)的原理為起點(diǎn)，再結(jié)合塑料工業(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，然后將3D打印技術(shù)與塑料工業(yè)相結(jié)合，展望未來發(fā)展前景并探討其應(yīng)用方法，最后將指出3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)上應(yīng)用的不足之處，從而幫助目前3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用水平得到提升，并且解決目前3D打印在實(shí)施過程中的弊病，期望能夠?qū)λ芰瞎I(yè)發(fā)展起到一定的幫助。

1 3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用背景

1.1 3D打印技術(shù)的基本概述

3D打印是一種基于數(shù)字模型文件的快速成型技術(shù)，使用逐層打印的方式來制作塑料制品的新型技術(shù)。它被廣泛應(yīng)用于制造模具、工業(yè)設(shè)計(jì)和其他制造模型的領(lǐng)域，目前正在逐步用于直接生產(chǎn)一些產(chǎn)品。特別是一些高價值產(chǎn)品，已經(jīng)使用了3D打印技術(shù)，意味著這種技術(shù)已經(jīng)開始普及。3D打印機(jī)通常使用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)。在21世紀(jì)，3D打印機(jī)的生產(chǎn)和銷售額度大幅增加，價格每年都在降低。這種最先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，在珠寶、制鞋、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、航空、牙科、教育、地理信息系統(tǒng)、3D武器方面均有所涉獵，實(shí)際上在20世紀(jì)90年代中期，3D打印技術(shù)是利用光的固化和紙張的重疊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。它的工作原理與普通打印機(jī)相似，打印設(shè)備中配備有打印粉末或是打印顏料用以打印成品，與計(jì)算機(jī)連接后，由一層層的“打印材料”重疊而成，最后形成電腦上的設(shè)計(jì)作品。

1.2 塑料工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，中國的塑料工業(yè)隨之興起，塑料產(chǎn)品的質(zhì)量很高，在世界上擁有顯著成就，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯增長，在輕工業(yè)產(chǎn)出和產(chǎn)品出口方面排名世界第三。幾十年來，中國塑料行業(yè)的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期的兩倍。塑料產(chǎn)業(yè)作為朝陽產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，連續(xù)幾十年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展增勢都在上升，塑料工業(yè)的增長、塑料加工設(shè)備的增長居世界第一，塑料制品數(shù)量居世界第二[1]。工業(yè)企業(yè)數(shù)量快速增長，進(jìn)一步加強(qiáng)中國的塑料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的發(fā)展，現(xiàn)已成立數(shù)十個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)都在不斷調(diào)整，并且形成了集成化態(tài)勢，塑料工業(yè)的整體發(fā)展水平不斷提高，與發(fā)達(dá)國家的差距正在逐漸縮小，某些方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。在塑料工業(yè)中，塑料制品是加工的主要產(chǎn)品，包括塑料合成樹脂、助劑、添加劑、塑料加工設(shè)備、塑料模具。國家也在大力支持塑料工業(yè)的發(fā)展，積極促進(jìn)塑料工業(yè)改造和塑料工業(yè)現(xiàn)代化，堅(jiān)持走新工業(yè)道路，塑料工業(yè)由此正在蓬勃發(fā)展，塑料工業(yè)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中日益重要的作用，是塑料工業(yè)逐步從大規(guī)模到發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的重要保證。

2 3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用表現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)塑料工業(yè)制造工藝

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，時刻需要塑料，塑料制品已經(jīng)覆蓋了人們的整個生活，衣食住行的任何一方面都有大量的應(yīng)用，但塑料材料相對于其他材料來說有著不可規(guī)避的不足，例如相比于金屬材料來說易破損，主要表現(xiàn)在塑料制品易老化，易破裂，過大的沖擊會引起變形、凹痕、撕裂或殘缺。塑料零件的更換成本通常較低，因此塑料零件損壞時基本上都會直接更換。一般的鑄造、擠壓、沖壓等方法，主要是批量生產(chǎn)，生產(chǎn)前需要設(shè)計(jì)模具，單獨(dú)的塑料產(chǎn)品成本高，制作周期通常比較長。造成一些定制產(chǎn)品不能及時、有效地送到客戶手中，并且單獨(dú)制造塑料制品對于塑料制造企業(yè)來說是一項(xiàng)耗費(fèi)材料和時間的工程，所以不適合批量生產(chǎn)的企業(yè)去制造。

2.2 3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)制造中的制造工藝

與傳統(tǒng)的塑料制造技術(shù)相比，3D打印形式的定制塑料部件具有明顯的優(yōu)勢，如時間快、周期短、運(yùn)用方式靈活，借助RE技術(shù)、CAD建模技術(shù)，3D打印技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了塑料工業(yè)中存在的部分不足，并消除了傳統(tǒng)塑料制作方法方面的部分困難。例如在修復(fù)塑料的破損部分時，傳統(tǒng)工藝首先要分析破損原因，塑料制品的斷裂是由外力造成的，利用傳統(tǒng)修復(fù)方法通常會使塑料制品的整體強(qiáng)度和美觀性方面與原來的質(zhì)量和美觀程度有所差別，所以需要直接更換新部件。但塑料制造企業(yè)并沒有破損部分的模具，所以選擇更換部件通常是不明智的，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量或美觀性，甚至直接損害整個產(chǎn)品[2]。使用3D打印技術(shù)，可以快速制作出一次性塑料零件，創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型的打印部分可以有兩種方式：用簡單的手工測量方法來測量CAD模型；對零件進(jìn)行3D掃描后，收集大量數(shù)據(jù)，并完成細(xì)節(jié)建模。對于缺少碎片的一些塑料部件，例如，如果缺失的部分較小，傳統(tǒng)的制造方法可以完成，但是當(dāng)更大的空白難以填補(bǔ)時，如汽車模型、卡通模型通常很難得到相同的零件，此時，3D打印技術(shù)可以在安裝或組裝后重新修復(fù)材料。

2.3 3D打印技術(shù)在塑料模具制造上的應(yīng)用

3D打印技術(shù)主要是通過反向思考來制作塑料制品，3D打印技術(shù)可以在模具處理過程中解決問題，并可以直接縮短塑料制品的制作時間?？梢越Y(jié)合傳統(tǒng)的塑料制作技術(shù)，更好地制作塑料制品。3D打印分為3D剖面、模型分層和打印。3D建模的質(zhì)量，對后續(xù)生產(chǎn)有著非常重要的影響，使用3D打印技術(shù)在3D空間中定義不同的制品參數(shù)，提供模型的空間坐標(biāo)，確保塑料制品的形式符合最終產(chǎn)品的要求。模型分層主要用于3D打印時將塑料制品分為幾個層次，并在每一層存儲相關(guān)信息，層數(shù)分得越多，產(chǎn)品的準(zhǔn)確性越高，生產(chǎn)速度越慢。在最后打印時，3D打印機(jī)可以自動讀取信息，最終根據(jù)程序，使3D打印材料成型，滿足需求的塑料制品形式。

3 3D打印技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

3.1 3D打印技術(shù)應(yīng)用于塑料工業(yè)的發(fā)展前景

3D打印如一場風(fēng)暴席卷傳統(tǒng)塑料加工領(lǐng)域，讓傳統(tǒng)的塑料工業(yè)有了高質(zhì)量的飛躍，其不需要二次加工，在廢物利用方面同樣取得了重大進(jìn)展。3D打印的效率和速度也在迅速提升。當(dāng)然，3D打印也有一些缺點(diǎn)，如打印機(jī)的價格比較昂貴，維護(hù)成本很高，并且對于材料的要求也比較高。操作3D打印軟件的步驟也非常復(fù)雜，使用3D軟件處理的數(shù)據(jù)數(shù)量也很多，目前還不能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[3]。在某些領(lǐng)域，傳統(tǒng)打印技術(shù)仍然很難被取代，因?yàn)閭鹘y(tǒng)打印技術(shù)中有很多優(yōu)勢，例如上述提到的成本問題和打印效率問題，但3D打印技術(shù)同樣擁有自己的技術(shù)優(yōu)勢，能完善一些傳統(tǒng)工藝方面的技術(shù)難點(diǎn)，只要將打印過程中的成本降低，將設(shè)備的造價與售價降低，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)線能夠批量化生產(chǎn)，相信3D打印技術(shù)的前景依然十分廣闊，未來一定會有更好的發(fā)展。

3.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于塑料工業(yè)的發(fā)展關(guān)鍵

解決材料方面的不足。由于塑料本身的強(qiáng)度問題，3D打印的性能將取決于塑料材料的極限性能，3D打印主要用于普通產(chǎn)品，具有特殊功能的塑料制品幾乎無法應(yīng)用。目前盡管現(xiàn)有塑料材料的質(zhì)量在發(fā)生變化和改進(jìn)，還研發(fā)出了一些高性能塑料并已經(jīng)取得了一些研究成果，但它們的性能仍然難以滿足塑料3D打印機(jī)的需求，難以打印出功能完整的塑料制品，從而限制了塑料3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此，未來對3D塑料的研究應(yīng)當(dāng)集中在如何提高塑料的高性能上，包括耐熱和強(qiáng)度等。需繼續(xù)提高現(xiàn)有塑料制品的生產(chǎn)率。

解決推廣方面的不足。由于塑料零件更換成本低，整體打印成本更高，3D打印技術(shù)在塑料材料生產(chǎn)中并不適用和被推廣，進(jìn)一步減少打印成本，提高3D塑料部件打印效率是未來研究的一個重要問題。目前，3D打印的推廣率很低，特別是在打印數(shù)據(jù)建立方面，3D打印技術(shù)在塑料修復(fù)方面的應(yīng)用范圍非常窄。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣，這種情況將會改善。例如，價格很低、使用很方便的FDM打印機(jī)陸續(xù)進(jìn)入學(xué)校、家庭等，特別是3D打印的網(wǎng)絡(luò)軟件，使3D打印更加方便，即使沒有專業(yè)技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)3D打印。

4 結(jié)論

塑料制品的制作過程中，3D打印具有快速和靈活的優(yōu)勢，可以運(yùn)用RE技術(shù)和CAD建模技術(shù)進(jìn)行制造，在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)塑料回收不便和生產(chǎn)效率不高的不足。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣，降低3D打印成本和提高3D塑料打印的生產(chǎn)率將逐漸成為現(xiàn)實(shí)，3D打印將會被更廣泛應(yīng)用于塑料生產(chǎn)和修理打印設(shè)備，特別是在高精度、高價值或有紀(jì)念意義的塑料產(chǎn)品中。