淺析增材制造技術(shù)

陳玉蓮 吳敏嬌

摘 要：圍繞3D打印，從技術(shù)層面上概要介紹了其發(fā)展歷史，分析了其優(yōu)劣和應(yīng)用。主要包括3D打印的歷史、原理、流程、特點和應(yīng)用等方面，為廣大新手和愛好者揭開3D打印的神秘面紗。

關(guān)鍵詞：3D打印;略議;格式

3D打印目前被炒的“火熱”，認(rèn)為其“無所不能”，可以顛覆傳統(tǒng)……毋庸置疑，作為一種黑科技，3D打印會給我們的未來帶來極大的變革，主要有三個領(lǐng)域：工業(yè)生產(chǎn)（制造業(yè)）、科學(xué)技術(shù)（醫(yī)學(xué)）和生活消費（民用化），相信3D打印必然會成為必需品。本文擬從三個方面簡略論述3D打印。

1 概述

3D打印是近年來出現(xiàn)的一個新詞，在專業(yè)領(lǐng)域有個好聽的名稱——快速成形技術(shù)或增材制造技術(shù)。通俗的講就是以電腦設(shè)計（如3DMax、Maya、Blender等）的三維模型為基礎(chǔ)，區(qū)別于我們所熟知的平面圖形，然后采用塑料、金屬粉末、液態(tài)樹脂等原料，在3D打印機中一層一層打印，疊加成一個立體實物。

1.1 3D打印的歷史

3D打印技術(shù)最早是由美國查爾斯·赫爾（3D打印之父）于1984年首次開發(fā)成功。1988年，斯科特·克倫普發(fā)明了熔融沉積快速成型3D打印技術(shù)，即目前最常用的FDM。1995年，3D打印被列為我國未來十大模具工業(yè)發(fā)展方向之一。2008年第一款開源的桌面級3D打印機RepRap發(fā)布。2012年，我國宣布掌握大型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件激光成型3D打印技術(shù)。

1.2 3D打印的原理

3D打印的原理與傳統(tǒng)打印機基本相同，不同之處在于材料傳統(tǒng)打印機用墨水和紙張（平面），3D打印則采用金屬、塑料、陶瓷、粉末、砂等（立體）;技術(shù)上實現(xiàn)了從液體在平面上噴涂轉(zhuǎn)變到板子上逐層累積疊加成為一個完整的整體。

1.3 3D打印的流程（三步）

（1）三維建模，軟件切片。切片的目的是把立體模型分割成許多層（截面），便于3D打印機打印。

（2）3D打印機逐層打印。

（3）后期處理，打磨、上色。去掉模型上的支撐等多余不規(guī)則的部分，拋光、上色、裝配等。

1.4 3D打印的技術(shù)種類

和許多技術(shù)一樣，3D打印機起初也是用于軍工領(lǐng)域，隨著技術(shù)的成熟，逐漸進(jìn)入工業(yè)和民用領(lǐng)域，目前最常用的有三類FDM熔融沉積、SLA光固化和SLS激光燒結(jié)。

2 3D打印的特點

傳統(tǒng)制造有等材制造（鑄、鍛、焊）和減材制造（車、銑、刨、磨），在制造零件時需要考慮模具。與傳統(tǒng)制造相比，3D打印被稱為增材制造，因其成形原理參照了打印機，采用逐層累加方式，故俗稱“3D打印”，不需要刀具、夾具、開模等，大大減少了工序，縮短了加工周期，且形狀越復(fù)雜越靈活，效率越高。

2.1 3D打印的優(yōu)勢

（1）沒有邊角料，節(jié)約環(huán)保。

（2）無限創(chuàng)意。

（3）私人定制。

（4）無限復(fù)雜。

（5）穿越時空（電影《十二生肖》、空間站太空打印機、互聯(lián)網(wǎng)+等）。

（6）按需生產(chǎn)、零庫存、即打即用。

2.2 3D打印的局限

（1）3D建模的難題。令大多數(shù)人頭疼，受專業(yè)基礎(chǔ)、軟件本身的難度等的影響，往往局限于少數(shù)專業(yè)人士（建筑、機械等），盡管可以掃描，但不成熟。

（2）材料的局限性。多數(shù)物品是由多種材料混和拼接制成，但3D打印目前能用的材料還不太多。

（3）機器的限制。復(fù)雜性，高穩(wěn)定性、高效率、低成本、低維護(hù)性和易操作性。要成為主流技術(shù)，還有很長一段路要走。

（4）知識產(chǎn)權(quán)的憂慮。

（5）成本的制約。

3 3D打印的應(yīng)用

3.1 航空航天領(lǐng)域

這是3D打印應(yīng)用最早的領(lǐng)域。如有著“中國激光3D打印帶頭人”的王華明院士，他所研制的技術(shù)已被應(yīng)用到戰(zhàn)斗機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星上。再如美國國家宇航局2015年10月建立火星殖民計劃，將用3D打印技術(shù)。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域

國內(nèi)這方面的應(yīng)用真是精彩紛呈。如3D打印骨胳技術(shù)在2013年被正式批準(zhǔn)進(jìn)入臨床應(yīng)用階段，同年劉忠軍教授所帶領(lǐng)的團隊，已經(jīng)成功為50位患者植入3D技術(shù)打印骨骼。

3.3 教育領(lǐng)域

我國的傳統(tǒng)教育是應(yīng)試教育，大多數(shù)學(xué)校都沒有開設(shè)學(xué)生創(chuàng)新性培養(yǎng)的課程，純粹的理論學(xué)習(xí)會使學(xué)生的大腦僵化。而3D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，將非常有利于增強學(xué)生的互動性和創(chuàng)新性，縮小了虛擬與現(xiàn)實之間的距離。

3.4 生活領(lǐng)域

3D打印涉及我們衣（3D打印服裝已經(jīng)不是什么新鮮玩意兒，從紐巴倫的跑步鞋到香奈兒的套裝，3D打印服裝界已經(jīng)出現(xiàn)了一些奪人眼球的產(chǎn)品）、食（只要準(zhǔn)備好原料，就可以像打印文件一樣打印出糕點、糖果、餃子等來）、住（2015年9月在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)，用建筑垃圾打印的房屋，就像搭積木一樣）、行（2015年世界首款3D打印電動汽車亮相，其成本只有3000﹩，耗時44小時，時速高達(dá)80公里/小時）的各個方面，小到一顆螺絲，大到一幢房子，3D打印似乎“無所不能”?？梢韵胂?，隨著3D打印技術(shù)的成熟和完美，其應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣闊。

4 3D打印的前景

3D打印在短短幾十年間也變化巨大，但基數(shù)小、更新?lián)Q代也相對慢一些，從1986查爾斯·赫爾發(fā)明光固化打印機到2008年開源的桌面級3D打印RepRap。目前3D打印的發(fā)展可以說是“脫胎換骨”，可以預(yù)見，3D打印會像電腦手機一樣推陳出新，慢慢進(jìn)入我們尋常百姓家。正如《連線》前主編渴攀里斯·安德森所言：“3D打印是一件比互聯(lián)網(wǎng)更大的事情！”

參考文獻(xiàn)：

[1]Walters，P.&Davies，K3D printing for artists：research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association，2010.

[2]Berman B.3-D printing：The New Industrial Revolution[J].Business Horizons，2012.

[3]黃健.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013.

[4]中國科技報.2015-08-31.

作者簡介：陳玉蓮（1973-），女，甘肅天水人，碩士，副教授，主要研究方向：機電、CAD/CAM。