3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)

張秀萍 梁杰

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830021）

3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)

張秀萍 梁杰

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830021）

3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來(lái)越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。文章對(duì)3D打印的概念、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及在行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，并對(duì)3D打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。

3D打印技術(shù) 快速成型 發(fā)展前景

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)（3D Printing）又稱作RP（Rapid Prototyping）快速成型技術(shù)，或者AM（Additive Manufacturing）增材制造技術(shù)。它是通過(guò)連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，具有很高的科技含量。

3D打印機(jī)的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，通俗地說(shuō)，首先在電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)完整的三維立體模型（也稱為計(jì)算機(jī)輔助性設(shè)計(jì)），然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī)，再將打印機(jī)與電腦連接，就可以通過(guò)電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這種通過(guò)連續(xù)的物理層創(chuàng)建出三維對(duì)象的3D打印技術(shù)是疊加式制造工序的一種形式，與傳統(tǒng)的疊加式制造工序相比，具有速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

3D打印技術(shù)需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，主要包括以下方面：信息技術(shù)，即要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計(jì)人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并根據(jù)模型自動(dòng)分析出打印的工序，自動(dòng)控制打印器材的走向；精密機(jī)械，即3D打印技術(shù)以“每層的疊加”為加工方式，產(chǎn)品的生產(chǎn)要求高精度，必須對(duì)打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求；材料科學(xué)，即用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái)，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的“去材加工”相比，3D 打印制造技術(shù)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：不需要刀具、模具，所需工裝、夾具大幅度減少；生產(chǎn)準(zhǔn)備周期大幅度縮短，整體制造周期短；可制造出傳統(tǒng)工藝方法難以加工，甚至無(wú)法加工的結(jié)構(gòu)；材料利用率大幅度提高，因此，3D打印技術(shù)更大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

（1）制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。但對(duì)于3D打印機(jī)而言。制造一個(gè)華麗的、形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本。制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價(jià)模式，并改變我們計(jì)算制造成本的方式。

（2）產(chǎn)品多樣化不增加成本。一臺(tái)3D打印機(jī)只需要不同的數(shù)字設(shè)計(jì)藍(lán)圖和一批新的原材料就可以打印許多形狀，省去了培訓(xùn)機(jī)械師或購(gòu)置新設(shè)備的成本。而傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。

（3）無(wú)須組裝，3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上。在現(xiàn)代工廠，工人需要將很多的零部件組裝成產(chǎn)品。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越多。而3D打印機(jī)通過(guò)分層制造可以同時(shí)打印一扇門(mén)及上面的配套腳鏈，不需要組裝，大大節(jié)省了勞動(dòng)力和運(yùn)輸方面的花費(fèi)。

（4）零時(shí)間交付。3D打印機(jī)可以按需打印，企業(yè)可根據(jù)訂單使用3D打印機(jī)制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，進(jìn)行即時(shí)生產(chǎn)，減少了企業(yè)的實(shí)物庫(kù)存，如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時(shí)間交付生產(chǎn)能最大限度地減少長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

（5）設(shè)計(jì)空間無(wú)限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車(chē)床只能制造圓形物品。制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。而3D打印機(jī)可以突破這些局限，開(kāi)辟巨大的設(shè)計(jì)空間。

（6）零技能制造。傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能，但3D打印機(jī)只需從設(shè)計(jì)文件里獲得各種指示，便能做同樣復(fù)雜的物品，且需要的操作技能比注塑機(jī)少。非技能制造開(kāi)辟了新的商業(yè)模式，也為在遠(yuǎn)程環(huán)境及極端情況下的人們提供了新的生產(chǎn)方式。

（7）不占空間、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比，3D打印機(jī)的制造能力更強(qiáng)。例如，注塑機(jī)只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機(jī)可以制造和打印臺(tái)一樣大的物品。3D打印機(jī)調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動(dòng)。打印機(jī)可以打印比自身還要大的物品。較高的單位空間生產(chǎn)能力使得3D打印機(jī)適合家用或辦公使用，因?yàn)樗鼈兯璧奈锢砜臻g小。

（8）減少?gòu)U棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機(jī)制造金屬時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品較少，傳統(tǒng)金屬加工的浪費(fèi)量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車(chē)間里，而3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量則大幅度減少。因此，隨著打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造會(huì)成為更環(huán)保的加工方式。

（9）材料無(wú)限組合。對(duì)當(dāng)今的制造機(jī)器而言，在切割或模具成型過(guò)程中不能輕易地將多種原材料融合在一起，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無(wú)法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨(dú)特的屬性或功能。

（10）精確的實(shí)體復(fù)制。數(shù)字音樂(lè)文件可以被無(wú)休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會(huì)下降。未來(lái)，3D打印將把數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體世界。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

3 3D打印技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用

3D打印機(jī)的應(yīng)用對(duì)象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。目前，3D打印技術(shù)已在工業(yè)設(shè)計(jì)、文化藝術(shù)、機(jī)械制造（汽車(chē)、摩托車(chē)）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。隨著技術(shù)自身的發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂＿@些應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下十個(gè)方面。

（1）計(jì)方案評(píng)審。借助于3D打印的實(shí)體模型，不同專業(yè)領(lǐng)域（設(shè)計(jì)、制造、市場(chǎng)、客戶）的人員可以對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案、外觀、人機(jī)功效等進(jìn)行實(shí)物評(píng)價(jià)。

（2）制造工藝與裝配檢驗(yàn)。3D打印可以較精確地制造出產(chǎn)品零件中的任意結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，借助3D打印的實(shí)體模型結(jié)合設(shè)計(jì)文件，就可有效指導(dǎo)零件和模具的工藝設(shè)計(jì)，或進(jìn)行產(chǎn)品裝配檢驗(yàn)，避免結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

（3）功能樣件制造與性能測(cè)試。3D打印的實(shí)體原型本身具有一定的結(jié)構(gòu)性能．同時(shí)利用3D打印技術(shù)可直接制造金屬零件，或制造出熔(蠟)模；再通過(guò)熔模鑄造金屬零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和樣件等。

（4）快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作為模板，制作硅膠、樹(shù)脂、低熔點(diǎn)合金等快速模具，可便捷地實(shí)現(xiàn)幾十件到數(shù)百件數(shù)量零件的小批量制造。

（5）建筑總體與裝修展示評(píng)價(jià)。利用3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模型真彩及紋理打印的特點(diǎn)，可快速制造出建筑的設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行建筑總體布局、結(jié)構(gòu)方案的展示和評(píng)價(jià)。

（6）科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)體可視化。計(jì)算機(jī)輔助工程、地理地形信息等科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)可通過(guò)3D彩色打印，實(shí)現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)與分析數(shù)據(jù)的實(shí)體可視化。

（7）醫(yī)學(xué)與醫(yī)療工程。通過(guò)醫(yī)學(xué)CT數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制造器官、骨骼等實(shí)體模型．可指導(dǎo)手術(shù)方案設(shè)計(jì)。也可打印制作組織工程和定向藥物輸送骨架等。

（8）首飾及日用品快速開(kāi)發(fā)與個(gè)性化定制。利用3D打印制作蠟?zāi)＃ㄟ^(guò)精密鑄造實(shí)現(xiàn)首飾和工藝品的快速開(kāi)發(fā)和個(gè)性化定制。

（9）動(dòng)漫造型評(píng)價(jià)。借助于動(dòng)漫造型評(píng)價(jià)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)漫等模型的快速制造，指導(dǎo)和評(píng)價(jià)動(dòng)漫造型設(shè)計(jì)。

（10）電子器件的設(shè)計(jì)與制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明樹(shù)脂等基板上，設(shè)計(jì)制作電子器件和光學(xué)器件，如RFID、太陽(yáng)能光伏器件、OLED等。

此外，3D打印技術(shù)還能應(yīng)用在文物保護(hù)、食品產(chǎn)業(yè)、服裝沒(méi)計(jì)等領(lǐng)域。幾乎任何你能看到的東西都能用3D打印技術(shù)打印出來(lái)。圖1至圖6是3D打印技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用。

4 我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展概況

圖1 3D打印產(chǎn)品—轎車(chē)變速箱殼體

圖2 3D打印產(chǎn)品—雕塑

圖3 3D打印產(chǎn)品—首飾

圖4 3D打印產(chǎn)品—建筑模

圖5 3D打印產(chǎn)品—牙齒矯正器

圖6 3D打印產(chǎn)品—工藝品

近年來(lái)，我國(guó)積極探索3D打印技術(shù)的研發(fā)，初步取得成效。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多所高校開(kāi)展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢(shì)；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢(shì)，并已推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開(kāi)發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到0.2mm；中國(guó)科技大學(xué)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(lǐng)域得到應(yīng)用;北京航空航天大學(xué)最近突破3D打印材料限制，打印出飛機(jī)鈦合金起落架。在家用電器、汽車(chē)配件、通信技術(shù)、航天、軍工等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)被越來(lái)越多應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中。在醫(yī)療領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)高水平的醫(yī)院使用3D打印技術(shù)，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物以及具有仿生性能的體內(nèi)植入物。在教育領(lǐng)域，我國(guó)有很多高校購(gòu)買(mǎi)了3D打印設(shè)備，開(kāi)展多個(gè)學(xué)科的教育和研究工作。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)和銷(xiāo)售。目前，中國(guó)已成為美國(guó)、日本、德國(guó)之后的3D打印設(shè)備擁有國(guó)。但總體而言，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國(guó)外相比還有較大差距。

5 3D打印技術(shù)發(fā)展前景

3D打印技術(shù)是一個(gè)新時(shí)代的新興技術(shù)，它足以引導(dǎo)第三次工業(yè)革命，它的發(fā)展前景可以歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）基于技術(shù)的革新，其打印速度、打印效率都會(huì)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

（2）各種新型材質(zhì)的投入使用，比如納米材質(zhì)、新型高聚合材質(zhì)等，可以讓打印出更加多的真實(shí)物體。

（3）打印機(jī)的成本和價(jià)格受到技術(shù)提高的影響將大幅度的降低，個(gè)別廠商還推出了1萬(wàn)元以下的民用級(jí)別打印機(jī)。

（4）3D打印技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛，不僅僅是早前的航空、機(jī)械、醫(yī)療等范疇，更加廣泛的擴(kuò)展到家用的廚具、軍事上的機(jī)械零件等領(lǐng)域。

鑒于3D打印技術(shù)的發(fā)展前景如此的宏偉壯麗，猶如一股強(qiáng)烈的科技風(fēng)暴在席卷傳統(tǒng)的制作和加工業(yè)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用將從以下三個(gè)方面深刻改變傳統(tǒng)制造業(yè)形態(tài)。

一是使制造工藝發(fā)生深刻變革。3D打印改變了通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式，節(jié)省了材料和加工時(shí)間。

二是帶動(dòng)制造技術(shù)的重大飛躍。3D打印技術(shù)是一門(mén)綜合應(yīng)用CAD／CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)、控制、網(wǎng)絡(luò)以及材料科學(xué)等諸多方面技術(shù)和知識(shí)的高新技術(shù)。3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動(dòng)新材料技術(shù)和智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大的飛躍，從而帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

三是使制造模式發(fā)生革命性變化。3D打印將可能改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的、以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化、定制化轉(zhuǎn)變。3D打印機(jī)的推廣應(yīng)用將縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，消費(fèi)者只要簡(jiǎn)單下載設(shè)計(jì)圖，在數(shù)小時(shí)內(nèi)通過(guò)3D打印機(jī)就可將產(chǎn)品“打印”出來(lái)。從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，不需要大量的生產(chǎn)工人，不需要庫(kù)存大量的零部件。即所謂的“社會(huì)化制造”。“社會(huì)化制造”的另一優(yōu)勢(shì)是通過(guò)制造資源網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，快速建立高效的供應(yīng)鏈、市場(chǎng)銷(xiāo)售和用戶服務(wù)網(wǎng)，這是實(shí)現(xiàn)敏捷制造、精益制造和可持續(xù)發(fā)展的一種生產(chǎn)模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)是一種新興的革命性的技術(shù)，雖然它有很多的不足，如目前3D打印機(jī)造價(jià)昂貴，不利于普及；可選擇的打印材料有限；成型品的物理特性較差，打印精度還不盡人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求等，但是它的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)對(duì)未來(lái)的制造工藝發(fā)展可以帶來(lái)更大的影響力。隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟和3D打印材料的擴(kuò)充，3D打印技術(shù)在未來(lái)必定成為新時(shí)代的標(biāo)桿技術(shù)之一，我們相信3D打印將會(huì)帶給我們更多的驚喜和沖擊，3D產(chǎn)品將會(huì)在我們的生活中觸手可及。

[1]王瑩雪.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2O12，（08）.

[2]劉厚才.莫建華，劉海濤.三雛打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用EJ].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008.（09）.

[3]古麗萍.蓄勢(shì)待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展EJ].數(shù)碼印刷.2On，（10）.…劉厚才，莫健華，劉海濤.三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用….機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2008（09）.

[4]劉月.3D打印機(jī)印出新世界[J].印刷技術(shù).2011（09）.

[5]鐘禾.“3D打印機(jī)”：可任意“打造”出塑料制品[J].國(guó)外塑料，2011（04）.

3D Printing Technology and Its Application Trend

ZHANG Xiuping,Liang Jie
（XinJiang Institute of Light Industry Technology,Urumqi 830021）

3DPrinting technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution;it has been increasingly become popular in the industrial sectors and investor community.This thesis introduces the concept,characteristics,advantage of 3d printing and the application in the field of industry,and future development trend of 3d printing technique is prospected．

3D Printing technology,rapid prototyping,prospects for development