智能制造背景下3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

宋歌

（安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

為了提高3D打印的速度和效率，改善精確誤差，要大力發(fā)展各種3D打印技術(shù)，如多種材料打印、平行打印、大型工件打印等打印方式，提高上述產(chǎn)品的材料外層質(zhì)量、機(jī)械傳動(dòng)摩擦性能，從而使3D打印產(chǎn)品可以直接面向競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。發(fā)展更加多樣化的3D打印材料，如復(fù)合材料的智能化制造、三維復(fù)合材料的CAD/RP軟件化，特別是CAD/RP與軟件集成控制軟件間能達(dá)到無縫對(duì)接，幫助設(shè)計(jì)者通過網(wǎng)絡(luò)直接控制遠(yuǎn)程制造，有效地拓展3D打印技術(shù)在車輛、服裝等行業(yè)中的應(yīng)用。

當(dāng)下，3D打印技術(shù)主要在產(chǎn)品原型、藝術(shù)品、珠寶定制等方面應(yīng)用，取代了上述領(lǐng)域內(nèi)的傳統(tǒng)技術(shù)。3D打印可以大大提高生產(chǎn)效率和精度。此外，在生物制藥、建筑結(jié)構(gòu)、紡織服裝以及軍工器材、醫(yī)療等行業(yè)，3D打印技術(shù)所展現(xiàn)出的特性也使這些行業(yè)得到了突破性發(fā)展，為未來的智能制造市場(chǎng)開辟出一條創(chuàng)新性的道路。

1 3D打印概念

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層添加材料，形成3D實(shí)體的技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的去料加工技術(shù)，因此也被稱為增材制造。

3D打印屬于一類綜合型運(yùn)用技術(shù)，其有效地融合了數(shù)字造型、機(jī)電控制、信息、材料化學(xué)等前沿技術(shù)知識(shí)，具有較高的科技含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心設(shè)備，是集機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的復(fù)合型機(jī)電系統(tǒng)。主要包括：高精度機(jī)械系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)、成型環(huán)境等。同時(shí)，新的印刷材料、設(shè)計(jì)、控制軟件等，亦是該系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

2 3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

3D打印技術(shù)不需要在工廠里操作，臺(tái)式打印機(jī)可以打印小項(xiàng)目人們可以把它們放在辦公室、商店甚至房子的角落里，而自行車車架、汽車方向盤及飛機(jī)零件等大型物品需要更大的打印機(jī)和更大的空間。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任意形狀的零件，無需加工或任何模具，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：放棄生產(chǎn)線降低成本、大大減少材料浪費(fèi)；還可以生產(chǎn)傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造的形狀，使人們能夠更有效地設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)翼或換熱器。此外，3D打印技術(shù)具有良好的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)流程。

采用3D打印技術(shù)，生產(chǎn)出的零件更加精致、輕巧。當(dāng)物料不受生產(chǎn)限制時(shí)，其功能可以得到優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。因此，與機(jī)械零件相比，其重量輕60%，強(qiáng)度相當(dāng)。

3 3D打印材料

當(dāng)前，3D打印技術(shù)可用的材料也越來越豐富，除了工程塑料、橡膠等軟性材料外，還有硬度較高的金屬材料、陶瓷材料等。此外，彩色石膏材料、人工骨粉、細(xì)胞生物材料、砂糖等食品材料也應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。

這些用于3D打印的原材料是專門為3D打印設(shè)備和技術(shù)開發(fā)的，不同于普通塑料、石膏和樹脂，它們的形態(tài)一般是粉末、絲綢、層流和液體。一般來說，根據(jù)印刷設(shè)備的類型和操作條件，粉末3D打印材料的粒徑為1～100μm，為了保持粉末的良好流動(dòng)，粉末應(yīng)具有較高的球形度。

目前市場(chǎng)上有200多種3D打印材料，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，材料種類的更速度也會(huì)越來越快。

4 我國3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀

我國在3D打印技術(shù)方面也越來越精進(jìn)，如清華大學(xué)早在20世紀(jì)90年代便開始研究，現(xiàn)已在現(xiàn)代成型理論、FDM工藝等方面取得了豐富的成果；華中科技大學(xué)則在層狀固體制造技術(shù)方面取得突破，推出系列的HRP成型材料及相應(yīng)的設(shè)備；西安交通大學(xué)自主研發(fā)出3D打印機(jī)噴頭，同時(shí)開發(fā)出相應(yīng)的UV固化成型系統(tǒng)和與之配套的材料，其中的成型精度有望應(yīng)用于微制造和光電子器件領(lǐng)域。但總的來說，國內(nèi)外3D打印技術(shù)的研發(fā)水平還存在較大差距。

5 3D打印的未來應(yīng)用

3D打印—按需定制，成本相對(duì)較低，曾被認(rèn)為是科幻小說的想象，但到了21世紀(jì)初，3D打印已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，這一趨勢(shì)將逐漸加速。

首先，3D打印技術(shù)能適應(yīng)各種復(fù)雜造型的零件，這是傳統(tǒng)制造方法所不具備的。且傳統(tǒng)模具制造的過程中，先出毛坯，再將不必要的地方切除，即進(jìn)行多維加工，或用磨具將金屬和塑料熔化到零件中，這種模式僅適合簡單的造型，對(duì)于復(fù)雜造型的零件，通常是將幾個(gè)不同的模具組合起來，進(jìn)行焊接，加大了制造的難度，亦產(chǎn)生了材料浪費(fèi)，且容易由于焊接技術(shù)的限制而影響功能。而3D技術(shù)則能避免這個(gè)問題，再復(fù)雜的造型也是“一體成型”。

其次，實(shí)現(xiàn)了第一部分的網(wǎng)形成型，大大減少了后期的輔助處理量，避免了外包處理的數(shù)據(jù)泄露和時(shí)間跨度，特別適用于軍工、核電等有著高保密性要求的產(chǎn)品和行業(yè)。

第三，制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間極大縮短，從而縮短了單次試制、小批量周期生產(chǎn)時(shí)間，降低了成本。尤其適合新產(chǎn)品開發(fā)、小批量零件、試樣產(chǎn)品等生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)正是憑借其高速度、便于使用等優(yōu)勢(shì)，取得了全面發(fā)展，在不同的領(lǐng)域中得到運(yùn)用。當(dāng)前的運(yùn)用領(lǐng)域主要包括：建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)模型、醫(yī)療輔助、零部件、動(dòng)畫模型等。特別是在重型機(jī)械、高端精密設(shè)備、火電等行業(yè)得到全面發(fā)展。3D打印技術(shù)“打印”的產(chǎn)品是一體成型，不存在焊縫等問題，具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其性能十分良好。

6 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

伴隨智能制造的全面發(fā)展和日益成熟，3D技術(shù)水平也在不斷提升。未來將朝向更高精度、更便捷的角度發(fā)展。因此，提高3D打印技術(shù)速度、精度等，促進(jìn)印刷、連續(xù)印刷、批量印刷和多材料印刷等方面，有助于提高產(chǎn)品品質(zhì)、機(jī)械性能等，達(dá)到更直接面向產(chǎn)品制造的目的。同時(shí)在材料運(yùn)用方面，不斷探索新型材料，如納米材料、導(dǎo)質(zhì)材料等，尤其是金屬材料直接成型技術(shù)，都使當(dāng)今3D打印技術(shù)更適合分布式生產(chǎn)、集成設(shè)計(jì)和軟件集成實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP集成，促進(jìn)了設(shè)計(jì)軟件、生產(chǎn)控制軟件間的無縫銜接，拓展了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛和服裝等領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。