3D打印制造技術的應用

王志永　鄭媛媛

摘 要：當今時代，3D打印產品已經逐漸趨于潮流，未來在不同的產業當中都將存在3D打印技術。3D技術已經在許多行業中使用，比如：交通、醫療、軍事、教育、航空航天和醫療行業。用途包括建立概念模型，功能原型，工廠工具（如模具），甚至制造成品（如飛機內部組件），本文主要簡要描述3D打印在制造業中的應用。

關鍵詞：3D打印技術；普通消費；工業生產；生物工程

3D打印技術在原理上并不復雜。其工作原理是將計算機設計出的三維模型分解為若干平面切片，然后把打印的材料按切片圖形逐層增加，最終堆積為完整的物體。與傳統制造業在材料上做減法不同，它奉行的是加法守則。要打印一個東西，首先要有一張3D立體圖，配套的軟件會把這張圖上的物體進行一系列數字切片，并將切片信息傳送到打印機，打印噴頭立刻啟動，根據切片信息，一層層極薄地堆疊出立體物件，所以它也被稱為“添加式制造”。目前最常見也是最便宜的3D打印機，使用的材料是熱塑性塑料條。這種被稱為熔融擠出成型（FDM）的打印方式，是通過一個微孔擠壓出因為加熱而熔化的塑料，然后將塑料層層重疊，建造托盤上將它塑造成型。更高端的3D打印機是通過使用激光在材質盆中硬化液態樹脂，這種打印機被稱為立體光刻（SLA），或者層層硬化粉末狀塑料、金屬、陶瓷材質，也就是所謂的激光燒結（SLS）。本文主要詳細講述3D打印制造技術在現在社會的主要應用，就目前來說，3D打印制造技術主要應用在3個方面：普通消費、工業生產、生物工程。

普通消費。3D打印技術的發展使得普通消費者在自己設計東西方面有了很大的進展，消費者可以自己參與產品的設計，不再是單方面由設計者自己設計，同時這也激發了廣大人群對于設計產品的積極性。消費者可以在工業、工藝、珠寶、玩具、文化創意等領域進行設計，當所設計的產品損壞時，可以通過自己原始設計圖，到當地3D打印社進行打印，不需要再跑很遠的地方進行專門制作，這樣既保證了每個人所使用東西的多樣性與獨特性，也大大節約了消費者購買所花費的時間。

工業生產。在工業生產方面，它主要分為兩個部分，一是原型制造，主要用于模具、模型等行業。二是產品制造，包括大型金屬結構件和小型金屬零部件的直接制造。

目前3D打印技術在模具領域中發展最迅速、產值增長最明顯的應屬快速模具?？焖倌＞呒夹g能夠解決大量傳統加工方法難以解決甚至不能解決的問題，可以獲得一般切削加工不能獲得的復雜形狀，可以根據CAD模型無需切削加工直接將型腔曲面制造出來。傳統的機械加工方法制作母具，存在周期長、廢品率高、成本高的缺點，然而產品更新換代日益加快，小批量、多品種、個性化是許多產品的特性，傳統鑄造模具方法已經很難適應這種對產品的特殊需求，而3D打印可以實現模具的快速制造，減少模具成本和時間，很好的解決了復雜母具的制造問題。

查閱資料可以了解到：傳統的金屬制造，如砂型鑄造（與其他傳統鑄造相似）會有鑄造缺陷：冷卻不均勻；澆鑄過程中會夾雜空氣形成氣孔形成缺陷；在結構上，部分金屬液體很難快速填充到的地方會有成型缺陷。而3D打印金屬的性能在某些領域已經接近甚至超越傳統的常規加工。從材料角度講，傳統常規工藝采用原始的液體、固體、粉末等材料，材料本身無特殊處理；而3D打印使用的金屬粉末材料，是經過特殊處理的，加入了更多成分元素，已經具有了屈伸強度、拉伸強度、延伸率、楊氏模量、硬度、斷裂拉伸界點、熱膨脹系數、彈性模數、熔度范圍、耐腐蝕性、粘合強度等幾十項指標。而此類材料的性能是經過研究、測試、引用，已經證明是符合結構件的需求。另外，3D打印設備工藝的性能改進優化，對金屬打印的精度、致密度也有極大提升。

生物工程。其實，筆者最感興趣的還是3D打印技術在生物工程方面的應用。3D打印技術由于操作便捷、模型結構精確等特點，目前已在骨科領域廣泛應用，且3D打印技術的臨床效益顯著。術前在實物模型上模擬手術操作，能及時發現手術設計上的缺陷與不足，以便作出調整，提高手術的安全性，術前在模型上選擇最佳的進釘點、螺釘的長度及直徑，減少術中出血量及手術時間。通過實物模型可以更好地與患者及家屬溝通，解釋和交流病情。此外，通過3D打印制藥生產出來的藥片內部具有豐富的孔洞，具有極高的內表面積，故能在短時間內迅速被少量的水融化。這樣的特性給某些具有吞咽性障礙的患者帶來了福音。而至于3D打印生物器官方面，也是未來一大趨勢，但是在醫療領域里，3D打印目前最重要的角色是生產醫療器械原型機。

總的來說，打印器官還是屬于前沿技術，短時期內得到廣泛應用并不現實。3D打印最能得到用武之地的地方還是在制造其他器械上。

未來3D打印會極大地改變我們的生活。而這種改變實際已發生多時，從電腦的發明到互聯網的蓬勃繁榮都是這場革命的一部分，正如Chris Anderson在《創客：新工業革命》中這樣的一段描述：“制造業本身正處于向數字化轉變的過程中：實體物品已經成為屏幕上的種種設計，而這些設計可以文件的形式在線共享。過去幾十年間，工廠和工業設計工作室經歷了這樣的轉變；時至今日，這樣的轉變終于發生在客戶的電腦上和地下室里。從零售業到出版業，一旦一個行業轉向數字化，就將經歷深遠的變革。最大的變化不是制造過程本身，而是誰在做。只要可以在電腦上完成，也就意味著人人可以參與，這正是制造業正在經歷的改變。”所以，3D打印技術正將積極影響我們的發展，我們也更應該積極應對3D打印技術。

參考文獻

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