淺析增材制造技術

陳玉蓮 吳敏嬌

摘 要：圍繞3D打印，從技術層面上概要介紹了其發展歷史，分析了其優劣和應用。主要包括3D打印的歷史、原理、流程、特點和應用等方面，為廣大新手和愛好者揭開3D打印的神秘面紗。

關鍵詞：3D打印;略議;格式

3D打印目前被炒的“火熱”，認為其“無所不能”，可以顛覆傳統……毋庸置疑，作為一種黑科技，3D打印會給我們的未來帶來極大的變革，主要有三個領域：工業生產（制造業）、科學技術（醫學）和生活消費（民用化），相信3D打印必然會成為必需品。本文擬從三個方面簡略論述3D打印。

1 概述

3D打印是近年來出現的一個新詞，在專業領域有個好聽的名稱——快速成形技術或增材制造技術。通俗的講就是以電腦設計（如3DMax、Maya、Blender等）的三維模型為基礎，區別于我們所熟知的平面圖形，然后采用塑料、金屬粉末、液態樹脂等原料，在3D打印機中一層一層打印，疊加成一個立體實物。

1.1 3D打印的歷史

3D打印技術最早是由美國查爾斯·赫爾（3D打印之父）于1984年首次開發成功。1988年，斯科特·克倫普發明了熔融沉積快速成型3D打印技術，即目前最常用的FDM。1995年，3D打印被列為我國未來十大模具工業發展方向之一。2008年第一款開源的桌面級3D打印機RepRap發布。2012年，我國宣布掌握大型結構關鍵件激光成型3D打印技術。

1.2 3D打印的原理

3D打印的原理與傳統打印機基本相同，不同之處在于材料傳統打印機用墨水和紙張（平面），3D打印則采用金屬、塑料、陶瓷、粉末、砂等（立體）;技術上實現了從液體在平面上噴涂轉變到板子上逐層累積疊加成為一個完整的整體。

1.3 3D打印的流程（三步）

（1）三維建模，軟件切片。切片的目的是把立體模型分割成許多層（截面），便于3D打印機打印。

（2）3D打印機逐層打印。

（3）后期處理，打磨、上色。去掉模型上的支撐等多余不規則的部分，拋光、上色、裝配等。

1.4 3D打印的技術種類

和許多技術一樣，3D打印機起初也是用于軍工領域，隨著技術的成熟，逐漸進入工業和民用領域，目前最常用的有三類FDM熔融沉積、SLA光固化和SLS激光燒結。

2 3D打印的特點

傳統制造有等材制造（鑄、鍛、焊）和減材制造（車、銑、刨、磨），在制造零件時需要考慮模具。與傳統制造相比，3D打印被稱為增材制造，因其成形原理參照了打印機，采用逐層累加方式，故俗稱“3D打印”，不需要刀具、夾具、開模等，大大減少了工序，縮短了加工周期，且形狀越復雜越靈活，效率越高。

2.1 3D打印的優勢

（1）沒有邊角料，節約環保。

（2）無限創意。

（3）私人定制。

（4）無限復雜。

（5）穿越時空（電影《十二生肖》、空間站太空打印機、互聯網+等）。

（6）按需生產、零庫存、即打即用。

2.2 3D打印的局限

（1）3D建模的難題。令大多數人頭疼，受專業基礎、軟件本身的難度等的影響，往往局限于少數專業人士（建筑、機械等），盡管可以掃描，但不成熟。

（2）材料的局限性。多數物品是由多種材料混和拼接制成，但3D打印目前能用的材料還不太多。

（3）機器的限制。復雜性，高穩定性、高效率、低成本、低維護性和易操作性。要成為主流技術，還有很長一段路要走。

（4）知識產權的憂慮。

（5）成本的制約。

3 3D打印的應用

3.1 航空航天領域

這是3D打印應用最早的領域。如有著“中國激光3D打印帶頭人”的王華明院士，他所研制的技術已被應用到戰斗機、導彈、衛星上。再如美國國家宇航局2015年10月建立火星殖民計劃，將用3D打印技術。

3.2 醫療領域

國內這方面的應用真是精彩紛呈。如3D打印骨胳技術在2013年被正式批準進入臨床應用階段，同年劉忠軍教授所帶領的團隊，已經成功為50位患者植入3D技術打印骨骼。

3.3 教育領域

我國的傳統教育是應試教育，大多數學校都沒有開設學生創新性培養的課程，純粹的理論學習會使學生的大腦僵化。而3D打印在教育領域的應用，將非常有利于增強學生的互動性和創新性，縮小了虛擬與現實之間的距離。

3.4 生活領域

3D打印涉及我們衣（3D打印服裝已經不是什么新鮮玩意兒，從紐巴倫的跑步鞋到香奈兒的套裝，3D打印服裝界已經出現了一些奪人眼球的產品）、食（只要準備好原料，就可以像打印文件一樣打印出糕點、糖果、餃子等來）、住（2015年9月在上海張江高新青浦園區內，用建筑垃圾打印的房屋，就像搭積木一樣）、行（2015年世界首款3D打印電動汽車亮相，其成本只有3000﹩，耗時44小時，時速高達80公里/小時）的各個方面，小到一顆螺絲，大到一幢房子，3D打印似乎“無所不能”。可以想象，隨著3D打印技術的成熟和完美，其應用領域會越來越廣闊。

4 3D打印的前景

3D打印在短短幾十年間也變化巨大，但基數小、更新換代也相對慢一些，從1986查爾斯·赫爾發明光固化打印機到2008年開源的桌面級3D打印RepRap。目前3D打印的發展可以說是“脫胎換骨”，可以預見，3D打印會像電腦手機一樣推陳出新，慢慢進入我們尋常百姓家。正如《連線》前主編渴攀里斯·安德森所言：“3D打印是一件比互聯網更大的事情！”

參考文獻：

[1]Walters，P.&Davies，K3D printing for artists：research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association，2010.

[2]Berman B.3-D printing：The New Industrial Revolution[J].Business Horizons，2012.

[3]黃健.3D打印技術將掀起“第三次工業革命”[J].新材料產業，2013.

[4]中國科技報.2015-08-31.

作者簡介：陳玉蓮（1973-），女，甘肅天水人，碩士，副教授，主要研究方向：機電、CAD/CAM。