淺析快速成型技術RP的發展和應用

張艷琴

摘 要：本文簡要介紹了3D打印的發展和技術原理，介紹了3D打印技術在教育、制造業、醫學、建筑以及個性化產品創作等領域的應用和最新發展。

關鍵詞：3D打?。辉恚粦茫粋€性化設計

快速成型技術是根據三維數據模型通過材料添加方式直接制造實物模型的技術，其最大特點是成型過程不受零件復雜程度的限制，因而具有很大的柔性，特別適合于單件、小批量零件和批量生產前樣件的制造。但是由于受工藝本身的限制，RP（又稱3D打印技術）方法制造的零件一般精度和強度較低，很難將其作為最終零件或模具使用，通常只能作為樣件或模具母模。RP技術是快速制造技術的一種形式，它采用分層加工疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體。3D打印技術是一種綜合性的應用技術，它綜合了數字建模、機電控制、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的技術。

1 RP（3D打?。┘夹g原理

RP技術是由CAD模型直接驅動，快速制造任意復雜形狀的三維物理實體的技術，一本書可以看成由若干頁紙（二維薄片）組成的立方體（三維實體），通過離散三維數字模型，獲得材料堆積的路徑、限制和方式，依據離散所得的數據堆積材料，制造三維實體，這種技術具有高度柔性、高度集成、快速性和降維制造等特點。

1.1 三維建模

通過goSCAN之類的專業3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設備獲取對象的三維數據 ，并且以數字化方式生成三維模型。也可以使用UG＼PROE等三維建模軟件從零開始建立三維數字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

1.2 分層切割

由于描述方式的差異3D打印機并不能直接操作3D模型， 當3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業軟件來進一步處理.即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。

1.3 打印噴涂

由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結到三維空間中，根據工作原理的不同，有多種實現方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復?；蚴峭ㄟ^高能激光融化合金材料，一層一層地熔結成模型。整個過程根據模型大小、復雜程度、打印材質和工藝耗時幾分鐘到數天不等。

1.4 后期處理

模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面，這時需要對模型進行后期加工。如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。

2 3D打印技術的應用

2.1 3D打印的教育應用

3D打印為教育行業打開了一扇新窗口，一些教育機構和組織正在研究、探索如何將該技術應用到教學和學習中，學生不僅可以享受到這種最新潮技術輔助教學的便利以及各種創新用法。還可以此作為促進他們學習設計技能的推動力，更會對他們的技術素養和未來的職業發展產生深遠的影響。美國弗吉尼亞大學的學生通過3D打印技術制造出一架模型飛機并成功試飛，飛機的所有零部件都是通過3D打印制造的。 美國國家科學基金會NSF的數字圖書館項目提供了很多3D動物和器官結構模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是已滅絕生物。該項目的參與者正在掃描并打印復制古人類化石。哈佛大學博物館的研究人員也在利用計算機為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復制品。

2.2 航空、汽車和電子制造領域

3D打印技術適應用于多品種、小批量、結構復雜、原材料昂貴的結構制造。因此在航空、汽車和電子制造領域有很廣泛的應用。該技術在航空領域的應用主要集中在外形驗證、直接產品制造和精密熔模具鑄造的原型制造。歐美已將3D打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵技術之一。波音公司利用三維打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件。2011年，英國南安普頓大學工程師使用3D打印技術制造出世界首架無人駕駛飛機。在汽車制造行業，3D打印技術多用于制造汽車的零部件。在電子制造方面，我國國內多所高校開展了3D 打印技術的自主研發，中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領域得到應用。

2.3 醫學領域

如果有人因交通事故，需要更換鈦合金的人造骨骼，以前只有大、中、小三種型號，可用而不適用。通過CT掃描獲取患者的圖像數據后，利用3D打印機打印出百分之百符合需求的人造骨骼。如今，3D打印的骨植入物、牙冠、助聽器已經存在于世界各地成千上萬的人體內?？茖W家正在嘗試用3D打印機直接打印活性組織和新器官。如果變成現實，器官捐獻將不再需要，人將擺脫疾病、殘疾。2009年，美國ganovo公司首次使用3D打印技術制造出人造血管。2010年澳大利亞Invetech公司和美國ganovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官。英國赫瑞瓦大學和一家干細胞技術公司合作，開發出一種真空閥門式3D打印技術，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍，這一突破使得利用人類胚胎干細胞來打印移植用于人體組織和器官稱為可能。

2.4 建筑工程領域

3D打印技術日益完善，不僅可以打印小件物品，這項技術業已沖擊到傳統的建筑行業。在建筑行業里，設計師已經接受了3D打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環保，而且制作精美。完全符合設計者的要求，同時能節省大量材料與時間。可應用于建筑模型風洞實驗和效果展示。2011年3月，materialse 公司打印出一個微細的工廠模型，植物燃氣公司 Linde AG的微縮工廠縮小模型被完全逼真的打印制作出來。世界上首臺大型建筑3D打印機用建筑材料打印出高4米的建筑物，打印機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質粘合物，在粘合物上噴撒沙子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層的粘合物和沙子結合最終將形成石質建筑物。這種3D打印機制造建筑物的速度比普通建筑方法快4倍并且減少一半的成本，幾乎不浪費材料，對環境十分環保，它能夠很容易地打印其他方式很難建造的高成本曲線建筑。

2.5 個性化消費領域

獨一無二具有巨大的吸引力，個性化的產品會逐漸成為市場主流。這是一個廣闊的市場。3D打印最吸引人的地方就是可以按照我們自己的想法生產物品，比如手機外殼、珠寶飾品、服飾、鞋類、創意作品、人的三維模型等，定制化將成為常態。3D 打印技術可以打印各種日常小模型，這些模型不同于大批量的流水化產品，它可以完成隨心所欲的個性化設計。2011 年，University of Exeter 的研究人員設計了一臺可以打印巧克力的 3D 打印機。紐約一家創意消費品公司通過在線征集用戶的設計方案，以 3D打印技術制成實物產品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創新產品。另外，BCC報道3D打印機打印出個性化3D巧克力。

3 D打印國內現狀和發展面臨的問題

自上世紀 90 年代起， 我國的科研機構也已經開始研發自主知識產權的3D打印機，清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學、 西安交通大學等高校都取得了不俗成績，基本與西方發達國家處于同一水平，研制出了多種類型的3D打印裝備和材料。其中，北京航空航天大學率先研發出飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成型技術，這是國際上3D打印領域內的重大突破。但是受制于材料、成本、制造精度等多方面的因素，3D打印技術不可能替代傳統制造業，只是制造業的一個完美補充。3D 打印機的普及還面臨著很多困難，但隨著技術的不斷進步，很多我們現在擔心的問題都會迎刃而解。

參考文獻

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