3D打印技術的應用

孫曉林

（遼寧建筑職業學院，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

1986年，3D打印技術誕生，但直到20 世紀90年代才被關注，應用也主要局限在工程、建筑業和制造業、航空航天模型設計等領域，那時叫 “快速成型”技術。直到2010年11月，世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee 問世，3D打印引起了廣泛關注。

從上世紀90年代開始，隨著3D打印技術的發展和激光技術的進步，研究人員不滿足于3D打印只用于原型制造，也不再局限于生產工業模具，而是向更廣闊的領域拓展。比如，打印立體人像、教具、打印假牙和骨關節替代品等。開始嘗試用3D打印技術將金屬材料直接制造成零件，即金屬結構件直接制造。

1 3D打印概念

“3D打印”是通俗名稱，其學術名稱為快速成型（Rapid prototyping）技術，也稱為增材制造技術，是一種不再需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀，由CAD（計算機輔助設計）生成零件或物體的三維模型數據，通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。

2 3D打印原理

“3D打印”層層印刷的原理和噴墨打印機類似，打印機內裝有液體或粉末等 “打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制采用分層加工，疊加成型方式來 “造型”，會將設計產品分為若干薄層，每次用原材料生成一個薄層，一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

3D打印是一種直接數字化制造技術，是利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。

每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區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，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。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利用。加工過程僅需確定所需塑料、樹脂、金屬等物料，材料耗費僅相當于傳統制造的十分之一，而誤差可輕易控制到0.1mm 之內。它無需生產線，亦可制造那些常規方法無法生產的奇形怪狀的零件。

圖1 3D打印原理Fig.1 3D print principle

打印耗材膠水和粉末（金屬或塑料等可黏合材料）都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及 “打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術能夠實現600dpi 分辨率，每層厚度只有0.01mm，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，較先進的產品可以實現每小時25mm 高度的垂直速率，而且可以利用有色膠水實現彩色打印，色彩深度高達24位。

3 3D打印過程

圖2 3D打印產品Fig.2 3D print products

設計師使用電腦軟件設計出數字化3D模型，就像給模型做CT 掃描一樣，由另外一個軟件程序將數字化3D模型水平切片，通過網絡參數傳送，向3D打印機輸出指令，打印機的 “噴頭”可以前后上下左右六個方向移動，以滿足不同位置的打印需求，使特定金屬粉或可塑性高的材料熔化，逐層疊加 “鑄造”，最終把電子模型圖變成實物。比如顧客要打印一個真人3D模型：

手持3D掃描儀，圍繞顧客360 度旋轉掃描后，照相者的立體數據就出現在電腦屏幕上，掃描過程大概有十幾分鐘。經過軟件處理的三維模型，點擊打印，材料通過噴頭被逐層噴出擠壓堆積成型，3D打印機根據電腦中的模型來打印出最終成品，需要三四個小時。

4 3D打印材料

在3D打印領域，材料是技術的核心之一，可以使用很多種材料，如陶瓷、鋼化玻璃、石膏、無機粉料、ABS 塑料、PLA（聚乳酸）、尼龍、玻璃填充聚胺、光固化材料、銀、鈦、鋼、蠟、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出來的材料以ABS（熱塑料）和樹脂為主，材質在機器內“熔化”，通過不同比例的材料混合，可以產生出將近120 種軟硬不同的新材料。

目前，3D打印的耗材還只限于光敏樹脂、塑料等。比如模具制造中，最重要的金屬模具制造，由于受限于打印耗材，一直無法進行產業化。

5 3D打印特點

（1）優點：一是最直接的好處就是節省材料，不用剔除邊角料，提高材料利用率，通過摒棄生產線而降低了成本；二是能做到很高的精度和復雜程度，除了可以表現出外形曲線上的設計；三是不再需要傳統的刀具、夾具和機床或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件；四是它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產品研發周期；五是3D打印能在數小時內成形，它讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實體的飛躍；六是它能打印出組裝好的產品，因此它大大降低了組裝成本，它甚至可以挑戰大規模生產方式。

（2）缺點：任何一個產品都應該具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通過3D打印制造出來的產品在實用性上要打一個問號。①強度問題：房子、車子固然能 “打印”出來，但是否能抵擋得住風雨，是否能在路上順利跑起來？ ②精度問題：由于分層制造存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級 “臺階”，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差；③材料的局限性：目前供3D打印機使用的材料非常有限，無外乎石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。能夠應用于3D打印的材料還非常單一，以塑料為主，并且打印機對單一材料也非常挑剔。

6 3D打印應用

（1）機械制造：3D打印技術制造飛機零件、自行車、步槍、賽車零件等。

（2）醫療行業：在醫學領域，借助3D打印制作假牙，股骨頭、膝蓋等骨關節技術應用也非常廣，技術越來越成熟。

（3）建筑行業：工程師和設計師們已經接受了用3D打印機打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環保，同時制作精美，完全合乎設計者的要求，同時又能節省大量材料。

（4）汽車制造行業：用3D打印技術為汽車公司制造自動變速箱的殼體。汽車公司會對變速箱進行各種極端狀況下的測試，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再開模具，然后按照傳統制造方法批量生產，這樣成本就會大大降低。

此外，3D打印技術還將影響諸多行業，如汽車、商業和工業設備、教育、建筑及消費品等行業，還包括娛樂業的游戲和電影業，藝術家還可使用3D打印機將他們的作品即時打印成型。

7 結束語

3D打印技術代表制造業發展新趨勢，它和其他一些數字化生產模式的涌現，將推動實現第三次工業革命。隨著生產速度和質量的不斷提升以及打印裝置和材料價格的下降，越來越多的工業部件將被打印出來，而不是被沖壓或燒鑄出來。

[1]王廣春,趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].機械工業出版社，2013.

[2]陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術應用[M].機械工業出版社,2009.