淺談3D打印技術(shù)的原理及應(yīng)用

摘要：在科學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展的今天，打印技術(shù)隨處可見(jiàn)，如今，一種新型的打印技術(shù)，或者說(shuō)一種快速成型技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野——3D打印。3D打印作為一種降低工件制作難度的技術(shù)被人們所推崇。近20年來(lái)，3D打印技術(shù)取得了快速發(fā)展，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息及藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被大量使用。隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，從制造設(shè)備向生活產(chǎn)品發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印；新型技術(shù)；制造

一、 3D打印技術(shù)介紹

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。如今這一技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們用它來(lái)制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。打印原理每一層的打印過(guò)程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化黏結(jié)，而沒(méi)有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)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(huán)利用。

二、 3D打印的優(yōu)勢(shì)

（一） 制造復(fù)雜物品不增加成本

就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對(duì)3D打印機(jī)而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個(gè)華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本，制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價(jià)模式，并改變我們計(jì)算制造成本的方式；產(chǎn)品多樣化不增加成本，一臺(tái)3D打印機(jī)可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品，傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購(gòu)置新設(shè)備的成本，一臺(tái)3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料；無(wú)須組裝，3D打印能使部件一體化成型，傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機(jī)器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機(jī)器人或工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越多，3D打印機(jī)通過(guò)分層制造可以同時(shí)打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝，省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動(dòng)力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。供應(yīng)鏈條越短，污染也越少。

（二） 按需打印

即時(shí)生產(chǎn)減少了企業(yè)的實(shí)物庫(kù)存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時(shí)間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)某杀?。設(shè)計(jì)空間無(wú)限，傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。3D打印機(jī)可以突破這些局限，開(kāi)辟巨大的設(shè)計(jì)空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

（三） 零技能制造

傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)控制的制造機(jī)器降低了對(duì)技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機(jī)器仍然需要熟練的專業(yè)人員進(jìn)行機(jī)器調(diào)整和校準(zhǔn)。3D打印機(jī)從設(shè)計(jì)文件里獲得各種指示，做同樣復(fù)雜的物品，3D打印機(jī)所需要的操作技能比注塑機(jī)少。非技能制造開(kāi)辟了新的商業(yè)模式，并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。減少?gòu)U棄副產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。精確的實(shí)體復(fù)制，數(shù)字音樂(lè)文件可以被無(wú)休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會(huì)下降。未來(lái)，3D打印將數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體世界。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

三、 3D打印的意義

（一） 使制造工藝發(fā)生深刻變革

3D打印改變了通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時(shí)間。例如，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的金屬部件通常是由高成本的固體鈦加工而成的，90%的材料被切除掉，這些切削材料對(duì)于飛行器的制作是毫無(wú)利用價(jià)值的?？湛偷哪腹練W洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）研究人員指出，這些用鈦粉末打印出的部件與一個(gè)傳統(tǒng)用固體鈦加工出來(lái)的部件一樣經(jīng)久耐用，但節(jié)省了 90% 的原材料。

（二） 使制造模式發(fā)生革命性變化

3D打印將改變以第二次工業(yè)革命為代表，以流水線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)模式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化、定制化轉(zhuǎn)變。3D打印機(jī)的應(yīng)用將縮短產(chǎn)品推廣的時(shí)間，消費(fèi)者只需下載設(shè)計(jì)圖，在數(shù)小時(shí)內(nèi)通過(guò) 3D打印機(jī)就可將產(chǎn)品“打印”出來(lái)，它不需要大規(guī)模的生產(chǎn)線，不需要大量的生產(chǎn)工人，不需要庫(kù)存大量的零部件，這是所謂的“社會(huì)化制造”。社會(huì)化制造的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是通過(guò)制造資源網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)快速建立高效的供應(yīng)鏈、市場(chǎng)銷售和用戶服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)敏捷制造、精益制造和可持續(xù)發(fā)展的一種生產(chǎn)模式。

四、 總結(jié)

3D打印雖然高端工業(yè)印刷可以實(shí)現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機(jī)也還沒(méi)有達(dá)到成熟的水平，無(wú)法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。同時(shí)3D打印技術(shù)在重建物體的幾何形狀和機(jī)能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來(lái)，但是那些運(yùn)動(dòng)的物體和它們的清晰度就難以實(shí)現(xiàn)了。這個(gè)困難對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)也許是可以解決的，但是3D打印技術(shù)想要進(jìn)入普通家庭，每個(gè)人都能隨意打印想要的東西，那么機(jī)器的限制就必須得到解決才行。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉凱，張小瑩.淺析3D打印技術(shù)原理及發(fā)展優(yōu)勢(shì)[J].今日湖北（下旬刊），2015，（7）.

[2]張秀萍，梁杰.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015，（3）.

[3]常昱茜.3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析及應(yīng)用范圍[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào)，2016，（4）.

作者簡(jiǎn)介：

湯裕，浙江省杭州市，浙江農(nóng)林大學(xué)。