3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

孫亮1，石鑫2,3

(1.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，池州247100；2.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，

南昌330001；3.沈陽航空航天大學(xué)CAD/CAM研究中心，沈陽110136)

摘要：3D打印技術(shù)是一種新型的制造加工技術(shù)，越來越受到機(jī)械加工領(lǐng)域工作者的重視.3D打印技術(shù)體系中比較流行的3D打印技術(shù)工藝包括FDM、LOM、SLA、SLS等，.3D打印技術(shù)除應(yīng)用于設(shè)計(jì)模型、功能制造模型、實(shí)驗(yàn)分析模型外，還可廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、建筑、藝術(shù)行業(yè).目前3D打印所面臨缺乏技術(shù)創(chuàng)新、成本增加、價(jià)格昂貴等挑戰(zhàn)與機(jī)遇.3D打印技術(shù)將對機(jī)械制造行業(yè)產(chǎn)生深刻變革，從根本上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向智能綠色制造的轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞：3D打?。患夹g(shù)工藝；應(yīng)用

中圖分類號：TP202文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-12

基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科研項(xiàng)目(KJ2013B179)

作者簡介：孫亮(1983-)，男，四川達(dá)州人，講師，研究方向：機(jī)械制造與自動化.

Application of 3D Printing Technology

SUN Liang1, SHI Xin2,3

(1.Chizhou Vocational Technical Institute, Chizhou 247100, China;2.AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.,

Ltd, Nanchang 330001, China;3.CAD/CAM Center, Shenyang Aerospace University, Shenyang110136, China)

Abstract:Three-dimensional printing technology is a new kind of manufacturing technology, which gets more and more attention in machining field. First 3D printing concept is shared briefly, followed by technological system which covers the current relatively popular 3D printing technology process (such as FDM, LOM, SLA, SLS). And the advantages and disadvantages of each process are given. The present application situation of 3D printing technology is analyzed, and the current 3D printing technology challenge and opportunity are discussed in the paper, in which it also deeply points out that the 3D printing will have a profound change in manufacturing industry, fundamentally to realize the change of traditional manufacturing to smart green manufacturing.

Key words:three-dimensional printing; technical craft; application

0引言

近些年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的形成，世界制造業(yè)的競爭日益激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為競爭的主要矛盾.特別地，自2008年國際金融危機(jī)給世界經(jīng)濟(jì)造成重創(chuàng)以來，以美國、歐盟國家為中心的西方發(fā)達(dá)國家一直在積極謀求經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、擺脫經(jīng)濟(jì)危機(jī)的新出路.這些發(fā)達(dá)國家謀求技術(shù)創(chuàng)新，積極調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，以期實(shí)現(xiàn)再工業(yè)化，重新領(lǐng)導(dǎo)世界經(jīng)濟(jì)潮流[1].以3D打印為代表的新技術(shù)就是在這樣的時(shí)代背景下產(chǎn)生發(fā)展起來的.

3D打印技術(shù)被認(rèn)為是最20年來世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，它是產(chǎn)品快速開發(fā)和柔性制造技術(shù)的結(jié)合體[2].3D打印技術(shù)，也稱”三維打印”，是快速成型技術(shù)(RP)的一種，它是以離散堆積原理為基礎(chǔ)和特征，采用粉末材料(如陶瓷粉末、金屬粉末)成型，通過噴頭用粘結(jié)劑將零件截面逐層打印在材料粉末上面，最終堆積材料形成所要打印的3D實(shí)體.由于工藝過程無需專用工具，工藝規(guī)劃簡單，制造速度快于傳統(tǒng)方法，符合社會快速制造的發(fā)展要求，能夠滿足客戶日益變化的需求，因此備受關(guān)注與推崇.

3D打印技術(shù)擁有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值，帶來的經(jīng)濟(jì)效益潛存量十分豐富.世界各國3D打印在市場中所占的比重(見圖1).

圖1　世界各國3D打印比重

據(jù)國家工信部13年產(chǎn)值估算，截止2015年，世界3D打印總產(chǎn)值為30億刀，到2020年將會達(dá)到50億刀的產(chǎn)值規(guī)模.隨著CAD技術(shù)、材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等新型技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，加上世界各領(lǐng)域工作者在3D打印技術(shù)方面的深入研發(fā)，將最新技術(shù)成果推廣應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)必會將制造業(yè)推向更高的層面.

13D打印技術(shù)概述

1.13D打印概念

3D打印(3DP,Three Dimension Printing)，也稱為增材制造，該工藝是由美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人研制，它是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用陶瓷粉末和金屬粉末作為粘合材料，通過逐層打印、層層堆積的方式打印三維實(shí)物的技術(shù)過程[3].3D打印技術(shù)最先使用于制造鍛造用的模具模型，經(jīng)過近些年的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)正逐步推廣應(yīng)用到航空、化工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域之中，各領(lǐng)域各行業(yè)所占的3D打印比重也逐漸增大(見圖2).3D打印所使用的原材料種類也日益增多，如利用特制的塑性沙粒打印建筑模型；利用生物細(xì)胞打印人體器官、髖關(guān)節(jié)或牙齒；利用金屬粉末打印精巧的機(jī)械器件(如汽車窗架)等.

圖2　各領(lǐng)域行業(yè)3D打印比重

1.2技術(shù)特點(diǎn)

3D打印是一種與傳統(tǒng)材料加工截然相反的制造生產(chǎn)模式，它基于離散/堆積成型原理，制造加工的數(shù)據(jù)完全來源于計(jì)算機(jī)的CAD零件實(shí)體文件中的三維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不論是直接設(shè)計(jì)生成還是通過掃描、映射等方式生成，最終獲得的數(shù)據(jù)都將加載到3D打印機(jī)里，并驅(qū)動打印設(shè)備工作，生產(chǎn)加工出所需要的打印實(shí)體.由此可見，3D打印技術(shù)具有如下特點(diǎn)[4]：

(1)數(shù)字化制造.數(shù)字化制造是指由CAD模型直接驅(qū)動，通過CAD等相關(guān)軟件將需要打印的實(shí)體零件數(shù)字化，驅(qū)動打印設(shè)備進(jìn)行實(shí)際工作，獲得所需的打印實(shí)體.

(2)個(gè)性化快速制造.因?yàn)?D打印的加工過程并沒有使用專用的夾具或者工具，無需機(jī)械加工人員進(jìn)行加工干預(yù)，整個(gè)生成過程全自動化、智能化以及設(shè)計(jì)制造一體化，能夠按照消費(fèi)者的不同要求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)加工，非常適應(yīng)快速變化的產(chǎn)品市場.

(3)直接堆積加工.打印的產(chǎn)品是基于全數(shù)字信息加以驅(qū)動打印設(shè)備加工而成，這樣的逐層打印、層層堆積的生產(chǎn)模式可以由一臺打印中心一次實(shí)現(xiàn)，沒有傳統(tǒng)復(fù)雜的拼接組裝過程，能夠確保實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的均勻度和精確度.

1.3常見的3D打印工藝[5]

3D打印工藝涵蓋多種工藝技術(shù)，目前國際上較為常見的3D打印工藝技術(shù)為熔融沉積制造(FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling)、分層實(shí)體制造(LOM，Laminate Object Manufacturing)、立體光刻(SLA，Stereolithography Apparatus)、選區(qū)激光燒結(jié)(SLS，Selective Laser Sintering)等，現(xiàn)分別介紹如下.

1.3.1熔融沉積制造(FDM)

FDM采用熔融折射的方式，通過熔融噴頭將熔融材料(如塑性纖維、尼龍等)熔化后擠出，在特定環(huán)境下和指定位置處完成沉積、冷卻凝固成型，其粘合性來源于熔融材料和基體材料之間的熱傳遞.FDM工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成本低、加工體積小巧、操作簡單；缺點(diǎn)是凝固成型的實(shí)體表面結(jié)合處會有明顯的裂紋，結(jié)合強(qiáng)度也不能保證,FDM工藝原理(見圖3).

圖3　FDM工藝原理

1.3.2分層實(shí)體制造(LOM)

在LOM工藝加工中，供料機(jī)構(gòu)將底面涂有熱熔膠的紙卷材料逐段送至工作臺上，這時(shí)，驅(qū)動激光切割系統(tǒng)，按照接收的計(jì)算機(jī)層面輪廓信息使用激光光束(如CO2激光束)對紙卷材料層進(jìn)行輪廓切割，將輪廓外的無用材料切成小方塊去除.LOM工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，無需填充材料，產(chǎn)品成型率高；缺點(diǎn)是表面質(zhì)量較差，另外材料利用率很低, LOM工藝原理(見圖4).

圖4　LOM工藝原理

1.3.3立體光刻(SLA)

SLA方法是基于液態(tài)光敏樹脂的光固化原理形成的，它主要通過采用紫外波長的激光束對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行掃描，激光束經(jīng)過的地方，液體就固化形成一個(gè)特定厚度的薄層，自下而上逐層加工，直到整個(gè)三維實(shí)體模型加工過程結(jié)束,SLA工藝原理(見圖5).

圖5　SLA工藝原理

SLA工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是原材料利用率很高，接近完全利用，加工出的實(shí)體表面光滑，質(zhì)量優(yōu)異；缺點(diǎn)是成本高，可利用的原材料十分有限，打印出的實(shí)體在光照下也極易分解.

1.3.4選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)

SLS工藝原理如圖6所示.SLS工藝技術(shù)與3D打印原理最為相似，都是采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金屬粉末等.工藝原理(見圖6).

圖6　SLS工藝原理

不同之處在于，SLS是采用較高功率的激光束，把材料粉末通過燒結(jié)的方式連接形成實(shí)體零件.SLS工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可選擇的打印原材料種類繁多，打印出的機(jī)械性能優(yōu)異；缺點(diǎn)是成本較高，粉末成型度不好.

23D打印技術(shù)應(yīng)用[6-7]

2.1設(shè)計(jì)模型

設(shè)計(jì)模型時(shí)，主要是利用3D打印去構(gòu)造實(shí)體模型，包括產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及美觀度.根據(jù)不同用處需要，打印出來的實(shí)體模型仍然需要反復(fù)修改完善，直至設(shè)計(jì)出完美的設(shè)計(jì)模型，從而更好的滿足產(chǎn)品對外形的美觀、新穎度以及結(jié)構(gòu)功能的要求.設(shè)計(jì)模型可以更好地幫助設(shè)計(jì)人員和客戶對打印出的產(chǎn)品試件進(jìn)行審查，會使外形設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)更加直觀，更加方便快捷.

2.2功能制造模型

3D打印技術(shù)應(yīng)用于功能制造模型，這樣設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)功能制造模型去評判該實(shí)體模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理，也可以利用該模型進(jìn)行一定的性能測試和工程評估.如在實(shí)際的模具制造中，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)幾何造型在數(shù)控機(jī)床上直接開模，這樣對于一個(gè)價(jià)格昂貴的復(fù)雜模具來說風(fēng)險(xiǎn)過大，可以說一個(gè)小小的設(shè)計(jì)失誤反映到模具上的損失就不可估量.那么，利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出的功能制造模型不僅能夠使上述風(fēng)險(xiǎn)降至最低，而且可以靈活調(diào)整功能參數(shù)，用于不同情況下的模型性能評估.

2.3實(shí)驗(yàn)分析模型

3D打印技術(shù)能夠在計(jì)算分析與試驗(yàn)上得到很好的運(yùn)用.例如對有限元分析的結(jié)果能夠做出實(shí)體模型，有利于了解分析對象的實(shí)際變形與應(yīng)力情況，從而對分析模型進(jìn)行合理性修改.另外，對于飛行器、轎車后地板支架、飛機(jī)桁架設(shè)計(jì)等，大都可以采用3D打印嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)路線將模型快速的生產(chǎn)出來進(jìn)行試驗(yàn)分析等.

2.4航空、醫(yī)療、建筑、藝術(shù)行業(yè)

3D打印技術(shù)不僅在制造行業(yè)中得到推廣應(yīng)用，在航空、醫(yī)療等領(lǐng)域也得到了發(fā)展運(yùn)用.如空客A380客艙里使用3D打印出的行李架，“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)中的3D打印空調(diào)系統(tǒng)等.醫(yī)療上，3D打印技術(shù)常見于人體器官的打印，如牙齒、頭骨以及假肢等，目前也有人體心臟打印的報(bào)道.建筑領(lǐng)域一般利用3D打印進(jìn)行建筑模型的快速設(shè)計(jì)和制造，從而使客戶對建筑方案一目了然.在藝術(shù)領(lǐng)域采用3D打印技術(shù)能夠使藝術(shù)家的創(chuàng)造迅速完成，盡早的呈獻(xiàn)給觀眾.

3面臨的問題與機(jī)遇[8-9]

3.1缺乏技術(shù)創(chuàng)新

3D打印技術(shù)是一種新型的制造加工技術(shù)，是以CAD技術(shù)、反求工程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理等技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐的一門綜合技術(shù)，這在技術(shù)層面就要求我們要持續(xù)不斷的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新.而就目前中國制造業(yè)情勢來看，中國制造仍然處于粗放式制造層面，中國仍然處于制造價(jià)值鏈中的最低端，還不能有效結(jié)合新技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)的整體轉(zhuǎn)型升級.雖然經(jīng)過近30年的飛速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界制造工廠，成為世界第一制造大國.但是我們必須認(rèn)清以下事實(shí)，我國制造是在量上的第一，而非質(zhì)上的改變，在質(zhì)量上我國仍然沒有縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，相反這種差距隨著時(shí)間的推移變得越來越大.要想真正實(shí)現(xiàn)中國制造到中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，中國必須走技術(shù)創(chuàng)新路線，而技術(shù)創(chuàng)新的缺乏正是目前中國制造業(yè)所面臨的亟待解決的瓶頸問題.

3.2成本急劇增加

我國自然資源品種廣泛，但存儲量十分有限，人力資源雖然豐富，但低價(jià)勞動力據(jù)多，這樣造成的尷尬局面就是生產(chǎn)制造總成本不斷增加，附加值并不成比例增加，獲得的經(jīng)濟(jì)效益日漸削減.我國是制造大國，倘若能夠突破生產(chǎn)材料限制，努力提高員工整體技術(shù)水平，采用更輕便更綠色的能源，積極探尋“減材制造”的新方法，勢必會從根本上大幅降低制造成本，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益.

3.3產(chǎn)品價(jià)格昂貴

目前，由于3D打印技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，技術(shù)還不算十分成熟，還不具備規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)營發(fā)展要求，只適合單個(gè)小批量生產(chǎn)，價(jià)格優(yōu)勢欠缺，可以說是十分昂貴.根據(jù)實(shí)際調(diào)研，市面上1 kg的打印材料少則幾百元，多則達(dá)到幾十萬元，由此可見3D打印技術(shù)在一段時(shí)間內(nèi)還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造技術(shù)，還不能真正達(dá)到飛入尋常百姓家的地步.雖然在大批量生產(chǎn)上，3D打印不占優(yōu)勢，但在單個(gè)小批量生產(chǎn)上面， 3D打印卻擁有巨大的優(yōu)勢.因?yàn)閱蝹€(gè)的產(chǎn)品價(jià)格都相差無幾，但3D打印卻能夠快速高效地生產(chǎn)產(chǎn)品，就這方面而言傳統(tǒng)制造是無法比擬和超越的.

4結(jié)論

在當(dāng)今瞬息萬變的信息化時(shí)代，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得各行各業(yè)的人們快速獲取信息資源的能力大大增強(qiáng)，世界任何一項(xiàng)重大的新技術(shù)很快會被共享，這就迫切需要企業(yè)加快產(chǎn)品創(chuàng)新.誰能夠在第一時(shí)間開發(fā)出新產(chǎn)品，誰就能夠最快的占領(lǐng)世界市場，獲得財(cái)富.這樣，傳統(tǒng)的制造企業(yè)模式就不再適應(yīng)市場飛速發(fā)展的需求，取而代之的便是新興的產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段和現(xiàn)代化制造方法.可見，我國制造業(yè)要想真正實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)升級，真正實(shí)現(xiàn)從中國制造到中國創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變，就必須抓住3D打印技術(shù)給我們帶來的契機(jī)，充分利用以3D打印為代表的新技術(shù)，更好地為我國制造業(yè)服務(wù).

參考文獻(xiàn)：

[1]于灝，黃瑤.為什么要發(fā)展增材制造?(上)[J].新材料產(chǎn)業(yè),2014(4):27-31.

[2]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(9):3-5.

[3]候琳,齊健.3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景展望[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013(9):66-70.

[4]李小麗,馬劍雄,李萍,等.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表,2014,35(1):1-5.

[5]楊恩泉.3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù),2013(1):13-17.

[6]薛晶晶,王志奎.淺談3D打印技術(shù)[J].無線互聯(lián)科技,2014(6):207.

[7]張楠,李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2013,30(7):97-99.

[8]王春凈,夏成寶,葉達(dá)飛.3D打印技術(shù)：如何顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)[J].機(jī)械制造,2014,52(3):88-89.

[9]吳春蘭,韓曉紅.3D打印技術(shù)對我國制造業(yè)帶來的機(jī)遇探討[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(2):128-130.