3D打印的原理及应用

摘要：3D打印将变革制造所有产品的方式，被誉为“第三次工业革命”。3D打印实质为增材制造技术，即逐层叠加的方法直接制造零件原型。本文对3D打印技术流程概述，对打印原理做了详细说明，介绍了3D打印在航空航天、体育、医疗和教育方面的具体应用。

关键词：3D打印  增材制造  熔融沉积制造

中图分类号：TP334.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0093-01

著名杂志《经济学人》指出，3D打印是新型的社会制造的生产方式，能够与其他数字技术一起促进第三次工业革命。自从1984年Charles Hull发明了第一台3D打印机用来制造一些简单、小型的模型。近些年，一些大型制造商转向制造更大的模型。3D打印设备制造商预言，随着这种技术的不断成熟，未来很多零部件只需要保留在电子文档中，而产品当有需要时，打印即可。现美国政府认为3D打印技术的发展有助于提高本国制造业竞争力。通过这种技术，美国能够具有低成本制造竞争优势。美国国防部提议，在战场上军方直接生产出所需要的零部件，无需从千里之隔的本土工厂运过来，降低战争开销，提高后勤保障。

1 我国发展3D打印产业的重要意义

3D打印是指通过计算机软件设计出三维立体程序，然后运用三维喷墨打印技术设备，用粉末化、液化或细丝化的特种材料通过分层加工与叠加成形相结合的方法逐层“打印”，达到与激光成型等其他3D模型制造技术相同3D真实物体的数字制造技术。不同与我们传统制造业的“减材制造”，它是属于“增材制造”，更无需原胚和磨具，就能直接根据已生成的计算机模型数据，通过增材技术的生产出需要的物体。

2 打印流程

（1）准备档案：使用3D CAD软件创建3D模型，随后系统软件会把CAD系统的输出文档转换为3D模型及支撑结构的打印指令，以引导打印机喷头运作。

（2）3D打印模型：通过制作成型技术，可在拆卸的成型座上，从下到上逐层制作3D模型及其支撑材料。

（3）移除支撑材料：从打印机的打印仓内取出打印好的模型，然后从成型座溶解掉支撑材料，随后模型可以拔出使用，或者根据自身需要进行后续处理：钻孔、攻丝、加工、抛光、上漆、甚至还可以镀铬。

随着打印精度的不断提高，打印出的物品品质也将大幅度提升。除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承和拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。同时粉末材料不限于砂型材料，还包括弹性伸缩、高性能复合和熔模铸造等其他材料可供选择。

3 3D打印模型过程

3D打印机按照所使用技术的不同，其工作原理可分为两类：

（1）基于熔融沉积制造技术的3D打印机。基于熔融沉积制造技术的3D打印机的工作原理，首先在3D打印机的控制软件中导入由类似CAD软件针对实物的截面轮廓信息生成的对应数据，经分析处理后生成构成材料和热喷头的相对位移运动坐标路径。然后，热喷头会在计算机程序控制下根据程序在打印承载平面上进行平面坐标位移运动，同时热塑性液态或固态材料由动力系统和存储机构共同操作送至热喷头，在然后通过热喷头加热或熔化成半液态物质后，挤压出在设定的工作平台上对应的XY坐标。其次在喷涂热塑性材料快速冷却后，在平面上形成一层厚度约0.1毫米的轮廓薄片的3D打印截面。将此过程不断循环进行，同时承载工作台高度也随之不断进行位移改变，多层3D打印截面形成多层堆叠，最终多平面形成所需的三维实物模型。

通过此技术现阶段能够实现600dpi分辨率，差不多和我们所用手机屏幕一样清晰，即使模型表面有文字或图像也能够清晰打印，甚至可以利用有色胶水实现彩色打印。

（2）基于三维打印技术的3D打印机。基于三维打印技术的3D打印机过程分为两步，首先由储存容器通过动力系统在加工平台上输送出系统需要的定量原材料粉末，形成薄薄一层，然后在程序设定下需要成形的区域打印头喷出特殊的黏合剂。由于黏合剂是遇到粉末会迅速凝结固化，而没有黏合剂的粉末则不会影响。每完成一层，加工平台和打印头就会自动调整一个单位，以便于下一层的开展，根据电脑程序对物件的指令不断循环执行操作，直至全部层都完成。打印完成后，还需要扫除并回收松散粉末，便可获得三维数据对应的实物。

4 3D打印应用

美国康奈尔大学Hod Lipson教授说：“3D打印技术正逐渐进入从娱乐到食品、再到生物与医疗应用等各个行业。”过去在模具制造、工业设计等领域用其来制造模型，现正逐渐一些产品零件，已经直接使用该技术打印而成。该技术在枪支、珠宝、航空航天、汽车、土木工程、工业设计、枪支鞋类、建筑、地理信息系统、工程和施工（AEC）、牙科和医疗产业、教育以及其他领域都有所应用。

（1）航空航天。通用电气航空集团采用3D打印机来制造飞机喷气发动机。通过3D打印制造的零部件的另一个优势是制造出的零件可以更轻，有利于飞机减少燃料损耗。已经有许多制造商开始使用3D打印造零件模型，比传统模具的制造更具有灵活性和经济性。

（2）体育。耐克公司表示，在传统制鞋工艺中，设计、做模型、再做鞋子，重复上千次才能制作出与设计师构思完全相符的鞋子。而现在采用3D打印技术，使耐克公司能够在短时期内完成设计制造舒适的鞋子，缩短了鞋子的制作周期，同时提高了其生产效率。

（3）医疗。医学是3D打印应用的一个重要领域。由于各种原因，有相当数量的人需要装配义肢、义牙、人造骨骼，甚至医用“人体组织”，但是每个人的身材都是不同的，必须进行完全个性化的定制。未来这项新技术将在临床医学当中发挥革命性的作用。

（4）教育。美国计划，从幼儿园到12年级的一些教育项目中，推广使用3D打印技术，教孩子们如何设计和打印器材，打印出来之后，他们还会分析它的效能。教育系统预测它们可以快速缩小的学校教授传统的东西和现实的差距。未来，学校和家庭通过3D打印帮助孩子培养三维思维能力和创新能力，提高孩子的竞争能力。

参考文献

[1]第三次产业革命[J].经济学人（英），2012.4.21.

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