3D打印技術及應用趨勢研究

楊 勇

（南陽職業學院，河南 西峽 474500）

0 引言

3D打印技術又稱為“增材制造”技術，它是以數字模型為基礎的一種快速成型技術，3D打印技術在很多領域都有廣泛應用，如工程建筑、汽車、導航、教育等等。近年來，我國3D打印技術逐漸發展成熟。2020年5月5日，我國一艘搭載著3D打印機的運載火箭長征五號成功發射，這也是世界上首例在太空中進行3D打印技術實驗的案例，標志著我國在此領域已經位于世界前列。3D打印技術發展前景廣闊，許多國家都在進行這方面的開發和實驗，由此可見，3D打印技術在未來的發展已形成不可阻擋的趨勢。

1 3D打印技術目前存在的主要問題

1.1 3D打印材料單一

3D打印技術有一個很重要的制約因素是材料問題，材料單一性讓3D打印技術只能在某些特定環節內使用，亦或投入到尖端市場，由于其技術使用的高額支出更是制約了其發展空間，而面向大眾的中低端市場則選擇使用工廠流水線式生產。因為材料的單一從某種方面阻止了3D打印技術的廣泛應用，無法展示出3D打印技術其開發和利用價值，讓其看起來只是模具化生產模式的進一步開發和轉型。目前用于3D打印技術的主要材料有塑料、橡膠和金屬等，其中3D打印技術對金屬的要求比較迫切，急需在金屬領域有突破性進展來打破這個材料單一、消耗量大的局面。

1.2 3D打印的價格不穩定，優勢不明顯

3D打印技術的主要原理是通過大數據進行計算建模，直接設計出所需物件圖示，然后將材料加工立體呈現出來，因其利用現代高科學技術，在材料加工為實際物體過程中誤差極小，在進行精密零件制造時具有無法替代的優勢。3D打印技術在單件小批量或個性化設計等方面的制造價格與傳統制造的價格相差無幾，其生產效率卻是傳統制造的幾倍。但在一些特殊領域或大批量生產等方面，成本又相對較高，總體呈現出價格不穩定的問題。因此，在某些方面，目前3D打印技術還不能完全取代傳統生產，這也導致3D打印的價格不穩定，其價格優勢不能完全表現出來。在傳統工業制造中，制作工藝是使用模具統一生產加工，在機械設備使用過程中不可避免地會出現零件損壞和設備零件老化等問題，而單獨開模所或重新購置機械設備需要花費大量資金。3D打印技術則沒有這樣的問題，其操作便利，隨時可以打印不同的模型，模型主要由電腦數字化構建，建模成本較低，而且在獨特性強的物品生產中也展現出價格優勢，有利于贏取市場的位置。

1.3 3D打印操作技術要求高

3D打印技術需要借助數字模擬技術進行生產制造，因此，操作技術對操作者的要求較高，需要用戶自身具備一定程度的專業知識或專業技術才能正常投入生產。對于普通用戶來說，特別是首次接觸3D打印技術的用戶，操作難度較大，因為他們往往很難理解操作原理。此外，3D打印技術涉及知識面較廣，操作人員需要具備較深厚的知識基礎，尤其是涉及大數據技術、數字建模技術和3D打印設備使用等多種技術，從業人員需要對多個領域的知識都有涉獵。針對這種情況，加快培育具備較強理論知識的3D打印專業性人才是重中之重，只有這樣才能為未來3D打印技術發展作出鋪墊[1]。

1.4 3D打印機型號較少，產品型號缺少統一標準

據報道，目前一共只有6種可以進行多種材料打印的3D打印機，分別是FDM，SLA，3DP，SLS，LOM，PCM。由于目前3D打印技術尚處于發展階段，所制造的快速成型零件的質量和精度不能達到直接使用的標準，產品型號缺少統一標準，只能作為原型使用，最終還是離不開傳統制造。

1.5 3D打印產品數字化模型受到知識產權保護

使用3D打印技術的很多都是現代化藝術品制造業，其取勝關鍵不是生產規模，而是取決于產品創意，所以對知識產權的原創性要求較高，在創意性產品方面容易面臨盜版威脅，會出現模仿者過多，市場產品雷同的狀況。同時也對知識產權的管理提出了要求，這是傳統制造行業所不會出現的新問題。

2 3D打印技術的應用領域與發展趨勢

2.1 3D打印技術的應用領域

目前，3D打印技術應用最廣泛的領域是電子行業，在汽車、航空航天、商品機器這些領域也呈現逐漸增長的趨勢。2019年，中國3D打印設備產業規模達70億元，相比2018年增長了28.3%。3D打印技術產業規模的迅速增長，標志著3D打印技術已經成為拉動我國經濟增長的重要因素之一。目前，美國仍然是3D打印設備安裝的第一大國，其次是日本，雖然我國3D打印技術產業增長速度很快，但是與美國和日本相比仍有較大差距。由此可見，3D打印技術在我國擁有較為廣闊的發展空間。

例如，在航空領域，3D打印除了在航空發動機制造上得到廣泛應用之外，在解決航空發動機維修的零部件采購以及提升航空維修部門再制造能力和戰場應急搶修過程中也發揮著越來越重要的作用。在大數據的背景下，工作人員可以使用精密儀器對損壞部位進行精準定位，及時檢測到破損部位，并利用3D打印技術打印出匹配的修復材料，提高維修的精確性，減少人員的工作量，大幅度提高航空維修的效率。航空發動機長期處于高溫高壓的環境下，零部件極易發生嚴重磨損，這在很大程度上影響了航空發動機的維修周期以及維修成本。采用3D打印技術制作發動機零部件，可以有效解決航空發動機維修所需備件的采購難題，讓航空發動機維修企業快速提升航空設備零部件的制造能力和供給能力。對于小批量需求的航空發動機維修企業來說，3D打印可以有效節約制造成本，縮短維修周期，提高航空發動機維修中零部件再制造能力。在大數據背景下，應用3D打印技術，可以實現數據的共享和及時保修。隨著3D打印技術與大數據的深度結合，未來的航空發動機維修過程將呈現自動化發展的趨勢[2]。

2.2 3D打印技術未來發展重點

2.2.1 簡化生產過程

3D打印技術的“增材制造”可以很大程度簡化產品的制造過程，縮短產品制造周期，提高生產效率，降低生產成本。但是隨著時間、效率、成本的不斷優化，也容易導致產品出現質量問題。提高打印成品的質量，可以讓3D打印技術在更多領域得到應用，占據較大的市場份額，這是3D打印技術在未來主要的發展方向。同時，發展還需要解決的重點問題包括模型產權維護、3D打印機設備研發、降低打印價格、優化操作技術、減少材料消耗等，需要在這些方面尋找突破口。

2.2.2 提升材料使用率

相比于傳統生產方式，3D打印技術在生產環節能大幅減少生產材料的消耗。傳統生產方式常使用車間生產或者流水線式生產，為了避免模具生產出現誤差造成產品檢測不達標，在生產環節會出現大量被機械切割的“邊角料”，材料利用率不高。即使可以對邊角料進行回收重熔再投入生產，回收過程也會增大企業生產成本。3D打印技術是直接通過數字建模將材料轉化成為物體的技術，這種生產方式具有高精密度、高精簡度的特點，能確保所有材料在產品生產中精準使用，材料使用效率高，能從生產環節上大大節省成本，從而增大企業利潤，尤其是需要使用稀有材料方面，優勢更為突出，因此3D打印技術在高附加值和高精度產品加工生產上有著不可取代的優勢[3]。

2.2.3 結合BIM技術模擬建筑展示效果

目前，BIM技術被廣泛運用于工程項目管理。BIM技術相比于傳統設計圖紙模式，能在可視化上做出進一步擴展，通過3D數據建模可以直觀地展示出建筑的整體構造，甚至在裝修行業也能直接展示預裝修效果。BIM技術最大的特征是其整體性、優化性和仿真性，而BIM技術與3D打印技術同樣需要運用數字建模技術。工程單位需要進行房屋預設時，往往不能很直觀地讓客戶感受成品效果。將BIM技術和3D打印技術結合，可以直接將BIM建模中的信息直接導入3D打印設備，通過3D打印技術將數據化的建模實體化，讓企業和客戶能直觀感受到預期生產效果，從而提出針對性修改或建設方案，提升交易成功率。

3 結語

綜上所述，3D打印技術在許多方面都有廣泛的應用，發展空間廣闊。同時也存在一些缺陷，因而，相關人員需要圍繞材料供應、產品研發、技術應用、提效降本等方面進行重點開發與研究，讓3D打印技術為社會各行各業的發展作出更多貢獻，為人們的日常生活提供更大的便利。