淺談3D打印技術的原理及應用

摘要：在科學技術飛快發(fā)展的今天，打印技術隨處可見，如今，一種新型的打印技術，或者說一種快速成型技術逐漸進入人們的視野——3D打印。3D打印作為一種降低工件制作難度的技術被人們所推崇。近20年來，3D打印技術取得了快速發(fā)展，在消費電子產品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息及藝術設計等領域被大量使用。隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，3D打印技術的應用范圍不斷擴大，從制造設備向生活產品發(fā)展。

關鍵詞：3D打??；新型技術；制造

一、 3D打印技術介紹

3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印機則出現在上世紀90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。打印原理每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

二、 3D打印的優(yōu)勢

（一） 制造復雜物品不增加成本

就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本，制造復雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，并改變我們計算制造成本的方式；產品多樣化不增加成本，一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品，傳統的制造設備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料；無須組裝，3D打印能使部件一體化成型，傳統的大規(guī)模生產建立在組裝基礎上，在現代工廠，機器生產出相同的零部件，然后由機器人或工人（甚至跨洲）組裝。產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多，3D打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝，省略組裝就縮短了供應鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈條越短，污染也越少。

（二） 按需打印

即時生產減少了企業(yè)的實物庫存，企業(yè)可以根據客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。設計空間無限，傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

（三） 零技能制造

傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，然而傳統的制造機器仍然需要熟練的專業(yè)人員進行機器調整和校準。3D打印機從設計文件里獲得各種指示，做同樣復雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產方式。減少廢棄副產品，與傳統的金屬制造技術相比，3D打印機制造金屬時產生較少的副產品。傳統金屬加工的浪費量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。精確的實體復制，數字音樂文件可以被無休止地復制，音頻質量并不會下降。未來，3D打印將數字精度擴展到實體世界。掃描技術和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態(tài)轉換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復制實體對象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

三、 3D打印的意義

（一） 使制造工藝發(fā)生深刻變革

3D打印改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產的加工模式，節(jié)省了材料和加工時間。例如，在航空航天工業(yè)領域中應用的金屬部件通常是由高成本的固體鈦加工而成的，90%的材料被切除掉，這些切削材料對于飛行器的制作是毫無利用價值的?？湛偷哪腹練W洲宇航防務集團（EADS）研究人員指出，這些用鈦粉末打印出的部件與一個傳統用固體鈦加工出來的部件一樣經久耐用，但節(jié)省了 90% 的原材料。

（二） 使制造模式發(fā)生革命性變化

3D打印將改變以第二次工業(yè)革命為代表，以流水線為代表的大規(guī)模生產模式，使產品生產向個性化、定制化轉變。3D打印機的應用將縮短產品推廣的時間，消費者只需下載設計圖，在數小時內通過 3D打印機就可將產品“打印”出來，它不需要大規(guī)模的生產線，不需要大量的生產工人，不需要庫存大量的零部件，這是所謂的“社會化制造”。社會化制造的另一個優(yōu)勢是通過制造資源網絡和互聯網快速建立高效的供應鏈、市場銷售和用戶服務網絡，是實現敏捷制造、精益制造和可持續(xù)發(fā)展的一種生產模式。

四、 總結

3D打印雖然高端工業(yè)印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。同時3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術想要進入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。

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作者簡介：

湯裕，浙江省杭州市，浙江農林大學。