王碩 宋勝利

【摘? 要】3D打印技術作為一種新興的快速成型技術，已被廣泛應用于工業(yè)造型、機械制造、生物醫(yī)療、航空航天、高分子、軍工、建筑、影視、文化藝術等領域。論文對3D打印技術進行了簡單介紹，并對其優(yōu)勢進行了分析。

【關鍵詞】3D打印;快速成型技術;優(yōu)勢

【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打印技術亦稱增材制造技術，興起于20世紀八九十年代，發(fā)展于21世紀初，并逐漸成為科技界的研究熱點。2012年英國著名雜志《經(jīng)濟學人》發(fā)表了一篇名為《3D打印將推動第三次工業(yè)革命》的文章。美國總統(tǒng)奧巴馬在宣布“重整美國制造業(yè)”計劃演講中強調3D打印技術有可能改變人類生產制造模式，幾乎未來所有產品的制造都可通過3D打印技術完成。中國也正處于從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”邁進的重要時期。我國領導人3D打印技術也很關心，2013年9月中央政治局就創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略到中關村集體調研學習，著重調研高性能大型金屬構件增材制造技術。3D打印技術作為一項新興技術，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、考古等領域都有所應用。

2 3D打印技術簡介

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

2.1 疊層實體制造（LOM）

疊層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技術，又稱為分層實體制造（SSM）技術。該技術以紙、塑料膜或者復合材料為原材料，通過一層層橫截面粘結形成初步模型，之后利用CO2激光器發(fā)射的激光束對模型進行切割，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，但成型后對廢料剝離費時且浪費嚴重，不能制造中空結構的構件。

2.2 熔絲沉積成型（FDM）

熔絲沉積成型（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM）技術，又稱為熔融擠出成型工藝。該技術以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技術是根據(jù)LOM技術與SLA技術改進而成，改進了LOM技術表面精度差以及SLA技術原材料種類少的缺點。該技術原理簡單，對使用環(huán)境沒有限制，打印出的成品不僅強度高，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，又稱為立體印刷技術。該技術為美國在20世紀八十年代后期研制成功，是出現(xiàn)較早以及較早實現(xiàn)商業(yè)化的快速成型技術。該技術以光敏樹脂為原料，用特定波長與強度的激光照射液體材料表面，使其由點到線，由線到面一層層的固化成為三維實體構件。該工藝技術成熟，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，對使用環(huán)境要求也很苛刻。

3 3D打印技術的優(yōu)勢

3.1 產品多樣化

對于傳統(tǒng)的生產制造方式，工件的形狀越復雜，生產成本就越高。但對于3D打印技術而言，無論多么復雜的工件，都可以快速、準確地打印出來。在建筑領域，建筑師用3D打印機打印出建筑模型，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;在考古領域，專家們對原化石進行掃描，利用3D打印技術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;在食品領域，企業(yè)用3D打印機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打印技術可以制造復雜的物品而不增加成本，打印出的產品也越來越多樣化，該技術很可能改變計算制造成本的方式。

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打印技術突破了結構幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結構特征，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)約了時間更極大節(jié)約了材料和制造成本。

3.3 生產快速

3D打印機可以按需打印?？蛻魧⑿枨蟀l(fā)送給企業(yè)，企業(yè)進行三維設計，設計完成后利用3D打印機可快速生產出客戶需要的工件。3D打印技術還可以使工件一體化成型，因此不需要組裝，降低了組裝與運輸成本。

3.4 提高復雜零件使用性能

對于復雜零件的生產，通過傳統(tǒng)的生產方式往往很難完成，從而影響零件的使用性能。例如，反應器在實際使用的過程中會產生大量的熱量，在反應器內部加上網(wǎng)格結構則有利于散熱，傳統(tǒng)的零件生產方式很難生產出零件內部的網(wǎng)格結構，而且費時費力，生產成本還很高，而利用3D打印技術則可以很容易完成。

3.5 方便設計，拓展創(chuàng)新空間

3D打印技術可快速、精準地將建筑師的設計理念轉為實體建筑模型，使得建筑設計的表現(xiàn)更加具體直接。傳統(tǒng)制造技術的產品形狀固定，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，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的創(chuàng)新設計空間，極大地發(fā)揮設計者的想象力。

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、個性化和實體自由成型特點。使其在零件的快速制造中應用日益廣泛。應用3D打印技術可快速制造模具，在最終生產模具開模前，先進行產品的試制與小批量生產，可以大大提高產品開發(fā)的一次性成功率，為企業(yè)節(jié)約開發(fā)時間與成本。

3.7 實現(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，縮短了供應鏈，減少了勞動力成本與運輸成本。減少了這些中間環(huán)節(jié)，污染也隨之減少，生產也就更加綠色環(huán)保。與傳統(tǒng)制造機器相比，3D打印機占據(jù)的空間更少，而且3D打印機制造金屬時產生較少的副產品，材料利用率高，污染少。

4 結語

雖然3D打印技術具有很多的優(yōu)勢，但3D打印技術仍存在打印的尺寸有限，設備價格昂貴，專業(yè)人員操作技能不夠成熟等問題。隨著技術的發(fā)展，未來的3D打印應用領域將不斷擴展延伸，3D打印速度、尺寸也將大大提升，生產出的工件色彩也將更加絢爛與逼真。未來的3D打印技術將對裝備制造技術產生變革性影響，帶來重大裝備結構設計的革命，將會變革生產制造模式和維護保障模式。

【參考文獻】

【1】周海江.機械制造及自動化中的3D打印技術[J].南方農機，2019，50（24）：157.

【2】陳俊言.淺析3D打印技術的應用及發(fā)展趨勢[J].數(shù)字通信世界，2018（02）：149+280.

【3】葉東東，汪焰恩，魏生民.三維打印機控制系統(tǒng)設計與精度分析[J].工具技術，2014，48（02）：38-43.