智能制造背景下3D打印技術的現狀及趨勢分析

宋歌

（安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

為了提高3D打印的速度和效率，改善精確誤差，要大力發展各種3D打印技術，如多種材料打印、平行打印、大型工件打印等打印方式，提高上述產品的材料外層質量、機械傳動摩擦性能，從而使3D打印產品可以直接面向競爭日益激烈的經濟市場。發展更加多樣化的3D打印材料，如復合材料的智能化制造、三維復合材料的CAD/RP軟件化，特別是CAD/RP與軟件集成控制軟件間能達到無縫對接，幫助設計者通過網絡直接控制遠程制造，有效地拓展3D打印技術在車輛、服裝等行業中的應用。

當下，3D打印技術主要在產品原型、藝術品、珠寶定制等方面應用，取代了上述領域內的傳統技術。3D打印可以大大提高生產效率和精度。此外，在生物制藥、建筑結構、紡織服裝以及軍工器材、醫療等行業，3D打印技術所展現出的特性也使這些行業得到了突破性發展，為未來的智能制造市場開辟出一條創新性的道路。

1 3D打印概念

3D打印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層添加材料，形成3D實體的技術，不同于傳統的去料加工技術，因此也被稱為增材制造。

3D打印屬于一類綜合型運用技術，其有效地融合了數字造型、機電控制、信息、材料化學等前沿技術知識，具有較高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心設備，是集機械、控制、計算機技術為一體的復合型機電系統。主要包括：高精度機械系統、噴涂系統、成型環境等。同時，新的印刷材料、設計、控制軟件等，亦是該系統的重要環節。

2 3D打印機的優點

3D打印技術不需要在工廠里操作，臺式打印機可以打印小項目人們可以把它們放在辦公室、商店甚至房子的角落里，而自行車車架、汽車方向盤及飛機零件等大型物品需要更大的打印機和更大的空間。

3D打印技術最突出的優點是可以直接從計算機圖形數據中生成任意形狀的零件，無需加工或任何模具，大大縮短了產品開發周期，提高了生產率，降低了生產成本。與傳統技術相比，3D打印技術還具有以下優點：放棄生產線降低成本、大大減少材料浪費；還可以生產傳統生產技術無法制造的形狀，使人們能夠更有效地設計飛機機翼或換熱器。此外，3D打印技術具有良好的設計理念和設計流程。

采用3D打印技術，生產出的零件更加精致、輕巧。當物料不受生產限制時，其功能可以得到優化實現。因此，與機械零件相比，其重量輕60%，強度相當。

3 3D打印材料

當前，3D打印技術可用的材料也越來越豐富，除了工程塑料、橡膠等軟性材料外，還有硬度較高的金屬材料、陶瓷材料等。此外，彩色石膏材料、人工骨粉、細胞生物材料、砂糖等食品材料也應用于3D打印領域。

這些用于3D打印的原材料是專門為3D打印設備和技術開發的，不同于普通塑料、石膏和樹脂，它們的形態一般是粉末、絲綢、層流和液體。一般來說，根據印刷設備的類型和操作條件，粉末3D打印材料的粒徑為1～100μm，為了保持粉末的良好流動，粉末應具有較高的球形度。

目前市場上有200多種3D打印材料，隨著技術的發展和進步，材料種類的更速度也會越來越快。

4 我國3D打印的發展現狀

我國在3D打印技術方面也越來越精進，如清華大學早在20世紀90年代便開始研究，現已在現代成型理論、FDM工藝等方面取得了豐富的成果；華中科技大學則在層狀固體制造技術方面取得突破，推出系列的HRP成型材料及相應的設備；西安交通大學自主研發出3D打印機噴頭，同時開發出相應的UV固化成型系統和與之配套的材料，其中的成型精度有望應用于微制造和光電子器件領域。但總的來說，國內外3D打印技術的研發水平還存在較大差距。

5 3D打印的未來應用

3D打印—按需定制，成本相對較低，曾被認為是科幻小說的想象，但到了21世紀初，3D打印已經成為現實，這一趨勢將逐漸加速。

首先，3D打印技術能適應各種復雜造型的零件，這是傳統制造方法所不具備的。且傳統模具制造的過程中，先出毛坯，再將不必要的地方切除，即進行多維加工，或用磨具將金屬和塑料熔化到零件中，這種模式僅適合簡單的造型，對于復雜造型的零件，通常是將幾個不同的模具組合起來，進行焊接，加大了制造的難度，亦產生了材料浪費，且容易由于焊接技術的限制而影響功能。而3D技術則能避免這個問題，再復雜的造型也是“一體成型”。

其次，實現了第一部分的網形成型，大大減少了后期的輔助處理量，避免了外包處理的數據泄露和時間跨度，特別適用于軍工、核電等有著高保密性要求的產品和行業。

第三，制造準備和數據轉換時間極大縮短，從而縮短了單次試制、小批量周期生產時間，降低了成本。尤其適合新產品開發、小批量零件、試樣產品等生產。

3D打印技術正是憑借其高速度、便于使用等優勢，取得了全面發展，在不同的領域中得到運用。當前的運用領域主要包括：建筑設計、工業模型、醫療輔助、零部件、動畫模型等。特別是在重型機械、高端精密設備、火電等行業得到全面發展。3D打印技術“打印”的產品是一體成型，不存在焊縫等問題，具有更好的結構穩定性，其性能十分良好。

6 3D打印技術的發展趨勢

伴隨智能制造的全面發展和日益成熟，3D技術水平也在不斷提升。未來將朝向更高精度、更便捷的角度發展。因此，提高3D打印技術速度、精度等，促進印刷、連續印刷、批量印刷和多材料印刷等方面，有助于提高產品品質、機械性能等，達到更直接面向產品制造的目的。同時在材料運用方面，不斷探索新型材料，如納米材料、導質材料等，尤其是金屬材料直接成型技術，都使當今3D打印技術更適合分布式生產、集成設計和軟件集成實現CAD/CAPP/RP集成，促進了設計軟件、生產控制軟件間的無縫銜接，拓展了3D打印技術在生物醫學、建筑、車輛和服裝等領域的創造性應用。