淺析3D打印技術(shù)的應用及發(fā)展趨勢

陳俊言

（四川省成都七中嘉祥外國語學校，成都 610041）

1986年，第一臺商業(yè)3D打印機在美國科學家Charles Hull帶領的團隊研發(fā)下問世以來，人們發(fā)現(xiàn)了3D打印技術(shù)的巨大潛力及應用。近20年來，3D打印技術(shù)在各領域發(fā)展迅速，從開始在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，發(fā)展到用于一些產(chǎn)品的直接生產(chǎn)制造，再到逐步走入平常人的生活中，3D打印技術(shù)已經(jīng)開始改變?nèi)藗兊纳罘绞?。通俗的說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，之所以稱之為打印機，是因為他與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料不同。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，是制造業(yè)正在迅速發(fā)展的一種新興技術(shù)，其實質(zhì)是增材制造技術(shù)，又稱為添加制造，區(qū)別于傳統(tǒng)的切削制造。國際上對增材制造技術(shù)是這樣定義的：基于3D模型數(shù)據(jù)，采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)物品的過程，通常利用電腦三維建模設計，空間形態(tài)分析控制，將材料進行逐層的疊加，最終將計算機上三維模型轉(zhuǎn)為立體實物，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)研制周期。通過“增材加工”制造技術(shù)大大減少了材料的消耗，使生產(chǎn)效率得到了有效的提高，大幅度降低了生產(chǎn)成本，是大批量制造模式向個性化制造模式發(fā)展的引領技術(shù)。

3D打印技術(shù)多種多樣，可以根據(jù)加工材料的種類進行分類，也可以根據(jù)加工方式的不同進行分類。從加工方式來看，常用的技術(shù)手段有熔融沉積式、電子束自有成型制造、電子束融化成型、石膏3D打印、分層實體制造、數(shù)字光處理等。他們的不同之處在于，對于材料的使用方式以及不同的分層模式和成型過程。3D打印常用材料有石膏材料、熱塑性塑料、合金、橡膠類等，將這些材料通過擠壓、層壓、光聚合等方式，利用不同技術(shù)手段疊加，從而完成3D打印全過程。

2 3D打印技術(shù)的成型方法

按照加工方式可以將3D打印技術(shù)的成型分為以下幾種方法：

（1）噴射成型

噴射成型方法類似于傳統(tǒng)打印機中的噴墨打印機，通過噴嘴將液態(tài)光敏聚合物或者蠟狀成型材料選擇性的噴出，并將材料快速固化，逐層堆積形成三維結(jié)構(gòu)，從而完成產(chǎn)品。

（2）粘結(jié)劑噴射成型

這種成型法的基本流程是：先鋪一層薄粉末材料，然后利用計算機控制噴嘴，選擇性的在粉層表面噴射膠狀膠黏劑，再鋪一層薄粉末材料，如此重復，將產(chǎn)品加工成型。

（3）光敏聚合物固化成型

利用某種類型的特定光源，選擇性的掃描預置的液態(tài)光敏聚合物，并使之快速固化。最典型的工藝是利用紫外激光快速掃描、固化液態(tài)光敏樹脂；另一種工藝是光投影固化成型，將每一層的圖像直接投影在液態(tài)光敏聚合物表面，使每一層瞬間固化，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的加工。

（4）材料擠出成型

這種成型方法是在一定壓力作用下，將絲狀聚合物材料，通過加熱噴嘴軟化后，逐點、逐面、逐層的疊加，堆積成三維結(jié)構(gòu)，在加工的過程中，以底面為基準，逐層繪制，疊加，材料噴嘴上移或者成型工作平臺下移來完成產(chǎn)品加工。

（5）激光粉末燒結(jié)成型

這種成型方法的基本原理與粘結(jié)劑噴射成型類似。將聚合物或者金屬粉末等材料粘結(jié)或者融合在一起，并形成所需要的形狀，不同之處在于粘結(jié)劑噴射成型使用膠狀粘結(jié)劑粘結(jié)材料，而激光粉末燒結(jié)成型使用的是激光或者電子束熱能融合材料。

（6）定向能量沉積成型

這種成型方式是將材料從噴嘴噴出時，利用激光或其他形式的能量同步融化材料，凝結(jié)成固體形態(tài)，然后逐層疊加，最終形成三維實體產(chǎn)品。

3 3D打印技術(shù)應用現(xiàn)狀

3.1 3D打印技術(shù)國外應用現(xiàn)狀

國外3D打印技術(shù)經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，已經(jīng)日趨成熟，并得到了廣泛的應用，涵蓋了航空航天、汽車制造、醫(yī)療、工業(yè)產(chǎn)品設計、建筑設計、文娛產(chǎn)品、生物科技等各個產(chǎn)業(yè)領域，并且在各領域的各類產(chǎn)品的智能制造方面，占有較大的比重。

自Charles Hull發(fā)明3D打印機以來，歷時二十多年的研究，國外關于3D打印技術(shù)的研究與開發(fā)取得了較大的成果。從1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得惟一授權(quán)，并開始開發(fā)3D打印機，到2005年，ZCorp公司研制成功了首個高清彩色3D打印機，國外3D打印技術(shù)的發(fā)展可謂是突飛猛進。同年年底，以色列Object Geometries公司也推出基于結(jié)合光固化工藝和3D ink的三維打印機，為3D打印技術(shù)增添了新的成型方法。

2010年，美國Organoxo公司和澳大利亞Invetech公司合作，以活體細胞為“原材料”，打印生物組織器官，也是3D打印技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)品領域的重大突破性進展。

現(xiàn)如今，歐美等國家的3D打印技術(shù)已經(jīng)在消費電子領域、汽車制造業(yè)、航空業(yè)、醫(yī)療領域等領域初步形成了成功的商業(yè)模式。此外，3D打印技術(shù)在個性產(chǎn)品定制領域的應用也逐漸得到了廣泛的運用。比如很多國外創(chuàng)意產(chǎn)品公司，通過網(wǎng)絡平臺征集客戶的設計方案，并利用3D打印技術(shù)制成實體產(chǎn)品進行銷售，取得了較好的收益。

3.2 3D打印技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對于3D打印技術(shù)的研究較國外起步較晚，但隨著3D打印技術(shù)在國外各領域的應用中所展現(xiàn)的巨大潛力，迅速引起了國內(nèi)大批科研工作者、工業(yè)領域?qū)＜业闹攸c關注，并使得我國的3D打印技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。例如華中科技大學，歷經(jīng)十多年研制出了全球最大的3D打印機，可加工長寬高不超過1.2米的大型零件或者產(chǎn)品。

但就整體發(fā)展而言，與國外相比，國內(nèi)的3D打印技術(shù)還停留在實驗室階段向工廠化階段的過渡時期，距離3D打印技術(shù)的成熟化、產(chǎn)品化、商業(yè)化，還需要想當多的科研工作者和專家們的研發(fā)與努力，我國3D打印技術(shù)的不足，主要體現(xiàn)在一下幾個方面：

從加工材料來看，由于3D打印技術(shù)主要依賴于材料的特性進行加工，而國內(nèi)用于3D打印的產(chǎn)品大多屬于塑料制品的范疇內(nèi)，對于粉末狀金屬及液體狀光敏材料等原料的核心制造技術(shù)還未完全掌握；從加工機械來看，中國3D 打印設備的核心零部件的技術(shù)還未掌握，設計能力有限，自動化控制體系水平較低，導致了我國自主研發(fā)的3D打印機在工藝穩(wěn)定性以及精度上，與國外存在很大的差距，仍需要不斷地探索與研究實驗，才能追趕上國外的水平。

4 發(fā)展趨勢

由于3D打印技術(shù)有可能變革幾乎所有產(chǎn)品的制造方式，已經(jīng)成為全球高度重視的新興高科技技術(shù)。隨著智能制造、控制技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛的綜合應用到了制造工業(yè)，3D打印技術(shù)也將會被推向一個更加廣闊的發(fā)展平臺。

美國前總統(tǒng)奧巴馬曾在國情咨文中提出，要以3D技術(shù)重振國家制造業(yè)，積極跟蹤發(fā)達國家3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，在國家產(chǎn)業(yè)政策上給予更多的扶持措施。美國看到了3D打印技術(shù)在制造業(yè)的前景，而我國作為制造業(yè)大國，更應注重該技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。今后3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢也一定是趨向于智能化、集成化、便捷化和通用化的。

目前，3D打印設備在軟件功能、后期處理、設計軟件與生產(chǎn)控制軟件的無縫對接等方面還有許多問題需要優(yōu)化。例如，成型過程中需要不同材料的轉(zhuǎn)換使用，加工后的粉末除去等方面，都需要軟件智能化和自動化成都進一步提高。同時，隨著3D打印技術(shù)越來越普遍的運用在多領域以及生活生產(chǎn)當中，只有用戶在使用過程中覺得容易上手，技術(shù)門檻低，復雜程度地，才能使用戶有較好的使用體驗，才能更普遍的推廣這項技術(shù)。而這一系列問題都直接影響到設備的普及和推廣。同時也要求3D打印技術(shù)向低成本、高精度、高性能等方面發(fā)展，開發(fā)出其商業(yè)模式才能有效提現(xiàn)價值。

5 結(jié)束語

盡管3D打印技術(shù)克服了傳統(tǒng)制造生產(chǎn)周期長、耗材高、難以實現(xiàn)個性化制造等方面的不足，但其自身還面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是在批量生產(chǎn)、特種材料利用、特殊工藝處理等方面還有許多不足。因此，對于3D打印技術(shù)，我們必須加以重視、利用與研究，或者進行“3D打印+傳統(tǒng)制造”新模式的探究，爭取使3D 打印技術(shù)在各領域有所突破，加快現(xiàn)代化的發(fā)展步伐。