3D打印技術概況及其應用

李　健，王　奕，毛新齊，褚連青

中國電子科技集團公司第46研究所

3D打印技術概況及其應用

李健，王奕，毛新齊，褚連青

中國電子科技集團公司第46研究所

3D打印技術是一種將材料一次性熔聚成型的快速制造技術，目前已廣泛的應用于人類生活的很多方面。本文從文獻研究入手，介紹了3D打印技術的發展現狀，介紹了幾類主要的3D打印材料，并列舉了3D打印技術在日常生活中的重要應用。

3D打印；3D打印材料；應用

一.引言

3D打印技術指的是將把材料進行一次熔聚，實現快速制造的先進技術，其依托于數字模型文件，經過應用粉末狀的金屬和塑料進行打印，而且會形狀各異，采用連續層的方式建造空間物體。

3D打印技術的應用幾乎不需要使用模具，也無需進行機械加工，運用計算機圖形數據生成功能，改變物體的特性與形狀，較之我國的傳統制造業，具備一定先進性，傳統加工方式無法實現的零件制造可以通過此技術變為可能。3D打印技術適合于新產品的開發以及形狀較為復雜的零部件制造，還有快遞快件與批量較小的模具設計，此技術不僅適用這些類型制造，對于加工難度大的材料制造與設計等工程具有顯著作用。

世界上首臺打印機誕生于3D Systems公司的Charles Hull，公司坐落于美國。該公司采用先進技術，通過桌面程序的驅動，將文件轉換成為實際物品。3D技術的出現早于本世紀，出現于美國20世紀初，而且被美國政府應用于軍事方面，在實踐中得到廣泛應用。現在，西方經濟較為發達地區，3D打印技術的模式已經形成，逐步在商業推廣中開始宣傳。3D技術不僅局限于上述方面，同時還分別應用于汽車制造業、醫療行業以及航空業方面，3D打印技術的應用能夠進一步降低企業生產成本，提升生產效率，制造出更加符合客戶要求的產品。

二.3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術的重要組成部分，一直以來材料的不斷更新和完善，助推了3D打印技術發展速度。現在，實際生活中經常應用的3D打印機主要涉及工程塑料、金屬材料、光敏樹脂以及橡膠類材料等。不僅如此，3D打印技術中還應用到了細胞生物原料、砂糖以及彩色石膏下料等，隨著新技術的不斷更新與發展，3D打印技術已經取得了巨大突破。

1.工程塑料

ABS材料屬于快速成型的工藝工程塑料類型，其特點明顯，高強度、耐沖擊性優良、韌性好等，如果變形屬于正常基礎，那么溫度就會高于90攝氏度，可以根據情況適時機械加工噴漆及電鍍。汽車領域、電子產品消費領域以及家電等行業應用較為廣泛。

PC材料屬于熱塑性材料，具有高強度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲等特點，可以作為3D打印機的最終零部件使用，由于其工程材料屬性相對較強，所以電子消費品、航天以及汽車制造領域都在進行推廣，并且被廣泛應用。

尼龍玻璃纖維狀是白色粉末，與常見的普通塑料相比，拉伸強度較高，彎曲程度與熱變形溫度都相對較強，主要應用于家電、汽車和電子消費品領域。

2.光敏樹脂

光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組成，當波長達到一定范圍時，經過照射，就可以利用聚合反應，實現固化作用。光敏樹脂通常呈現液態狀，是制造防水材料的搞材料，具有耐溫性高、強度高之特點。現在實際中經常見到的光敏樹脂主要由Somos 19120材料、Somos 11122材料與環氧樹脂組成。

Somos 11122材料的顯著特性有防水性能好、穩定性高，還能夠提供多種性能的工程塑料，在醫療與電子領域應用較為廣泛。

Somos 19120材料主要用于專用材料的鑄造，建設成型后，能夠代替精密鑄造的蠟膜原型，能夠從一定程度上縮短生產周期，更是具備高精度與流灰燼低的顯著特征。

環氧樹脂是激光快速成型樹脂，其便于鑄造，對于快速鑄造模型有很大作用。

3.橡膠類樹脂

橡膠類建造材料特征顯著，包含較多種彈性材料，從材料的硬度、拉伸度等有較強性能，能夠在多種領域應用，尤其是防滑與柔軟表面需求領域，3D打印技術橡膠類的產品包括多種醫療設備、墊片以及輪胎等。

4.金屬材料

3D打印對金屬粉末的要求一般較高，純凈度高、粒徑分布窄、氧含量低的金屬才能作為3D打印材料使用。目前，應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈷鉻合金、不銹鋼、鈦合金和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料.

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、高強度、化學穩定性好、高硬度、低密度等優異特性，在航空航天、汽車、生物等行業有著廣泛的應用。但由于陶瓷材料較脆，使其難于加工成型，特別是復雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發周期長這些問題得以解決，才能滿足產品更新的需求。

三.3D打印技術的應用

1.航空航天

歐美已將3D打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵支撐技術之一。3D打印技術在航空領域的應用廣泛，主要集中在3類：外形驗證、直接產品制造和精密熔模鑄造的原型制造等。波音公司已經利用3D打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管。

2.生物醫學領域

在生物醫學領域，目前3D打印技術在國際上已開始被用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細胞或組織打印等方面。

3.體育

在通常的制鞋程序中，設計、做模型、再做鞋子要花去很長時間。耐克公司鞋類創新副總裁托尼·比格內爾表示，制作出一款與設計構思完全相符的鞋子，可能需要嘗試成百上千次。因此，耐克拋棄了傳統制鞋的過程，使用3D打印技術，因為這樣才有可能在短時間內突破限制。3D打印技術使耐克公司能夠在短時期內完成設計制造舒適的鞋子，縮短了鞋子的生產周期，也提高了其生產效率。

四.發展趨勢

隨著智能制造的進一步發展成熟，3D打印技術也將被推向更高的層面。提升3D打印的速度、效率和精度，開發連續打印、多材料打印的工藝方法勢在必行；開發更為多樣的3D打印材料，使打印更加高效；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，滿足大多數家庭日常應用的需求；拓展3D打印技術在更多行業領域的創造性應用，使更多的行業受益。

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［2］杜宇雷，孫菲菲，原光等.3D打印材料的發展現狀［J］.徐州工程學院學報，2014（3）

［3］楊恩全.3D打印技術對航空制造業發展的影響［J］.航空科學技術，2013（1）

［4］賀超良，湯朝暉，田華雨等.3D打印技術制備生物醫用高分子材料的研究進展［J］.高分子學報，2013（6）