三維打印快速成形技術及其應用

姚立明 蘇桂明 宮禹 李大尉 趙孟石

摘 要：文章對三維打印快速成形技術進行了分析，研究了三維打印快速成形技術的實現方案，并就其系統結構的運行方式做出了說明，最后對三維打印快速成形技術在多個行業領域中應用價值的實現進行了剖析，望能夠引起各方人員的關注與重視，促進其進一步發展。

關鍵詞：三維打印；快速成形技術；系統結構；應用

三維打印快速成形技術的核心是：建立在微噴射原理基礎之上，通過噴射方式自噴嘴中噴出一定的液態微滴，在此基礎之上根據預先設置的路徑逐層打印并成形。相對于傳統意義上的立體印刷技術或者是疊層實體制造技術而言，三維打印快速成形技術有著非常確切的優勢，包括對激光系統要求較低，設備投入資金較少，運行性能可靠，維護工作量少，成本低廉等多個方面。同時，三維打印快速成形技術能夠在常溫環境下操作，運行安全可靠，可適用的成形材料類型眾多，價格均衡，有實踐價值。因此，三維打印快速成形技術已成為當前整個快速成形行業中最具綜合發展潛力與空間的技術手段之一，有著非常廣闊的應用前景。文章即圍繞三維打印快速成形技術的實現及其應用要點展開分析，望引起重視。

1.三維打印快速成形技術的實現

從噴射材料上入手，可對三維打印快速成形技術的實現方案進行分類，主要有兩種類型：第一是建立在粘結成形基礎之上的三維打印快速成形技術，第二是建立在直接成形基礎之上的三維打印快速成形技術。具體分析如下：

1.1 粘結成形下的三維打印快速成形技術

下圖（如圖1）為粘結成形下三維打印快速成形技術的基本工作原理。在本技術方案實施下，首先需要在工作臺上均勻鋪設一層粉末狀材料，然后參照零件截面形態，將粘結材料有選擇性的打印至粉末層上，使實體區域內的粉末材料完全粘結起來，形成截面對應的輪廓，打印完一層后將工作臺向下移動，然后重復以上操作步驟，直至完成整個工件。

1.2 直接成形下的三維打印快速成形技術

下圖（如圖2）為直接成形下三維打印快速成形技術的基本工作原理。在本技術方案實施下，首先需要根據待打印的零件截面形狀，控制打印頭在截面有實體的區域內打印光固化實體材料，同時需要在可支撐區域內對固化支撐材料進行打印，然后利用紫外燈照射技術，在光固化材料的基礎之上同步進行邊固化打印工作。逐層進行固化處理直至完成對整個工件的打印工作，最后將支撐材料去除掉，以得到對應的成形工件。

2.三維打印快速成形系統結構

在三維打印快速成形技術實現的過程當中，主要的工作流程為：第一步，采集粉末原料；第二步，將粉末平鋪至打印區域當中；第三步，在模型橫截面上對打印機噴頭進行定位，同時噴涂適當的黏結劑成分；第四步，送粉活塞上升同時實體模型下降，以繼續打印；第五步，重復以上操作直至模型打印作業完成；第六步，將多余粉末去除掉，對模型進行固化。建立在該技術基礎之上，整個三維打印快速成型系統運行需要完成的動作流程包括：打印噴頭沿X軸向以及Y軸向的掃描運動，成型腔活塞沿Z軸向運動，儲粉腔活塞沿Z軸向運動，鋪粉輥筒轉向運動以及平向運動等。其中，噴頭X軸向運動采取的是傳統噴墨打印機操作系統中的字車運動系統，引入光柵技術進行檢測，X軸向打印精度可以達到5670dpi單位以上。同時，噴頭Y軸向掃描運動能夠帶動打印機沿與X軸垂直的方向勻速動作，雙側驅動方式為步進電機驅動，光柵檢測，閉環控制，三維打印成形中的定位精度可以達到10.0um級別。同時，整個三維打印快速成形系統還可以通過應用步進電機的方式為渦輪減速器提供驅動作用力，以驅動絲桿螺母運動，在半閉環條件下實現對鋪粉厚度的合理控制（注：鋪粉電機運動僅需要控制電機的啟停狀態，同時配合合理設置轉動速度的方式完成工作任務，即應用常規直流電機就能夠滿足相應的工作要求）。

3.三維打印快速成形技術的實際應用

3.1 三維打印快速成形技術在生物工程領域中的應用

生物工程領域研究中對無生物活性支架以及假體的制作一直都是備受關注的工作內容之一，傳統技術手段需要對生物活性材料進行激光加熱或燒結，對材料的生物活性有不良影響。而通過對三維打印快速成形技術的應用，能夠將參與生命體代謝行為且可降解的組織工程材料制成內部結構具有多孔疏松特性的人工骨材料，將活性因子填充于疏松孔內，起到代替人工骨骼的目的。

3.2 三維打印快速成形技術在制藥工程領域中的應用

當前口服藥物制劑的制造方法主要有粉末壓片以及濕法顆粒這兩種類型，無論是哪種制藥方法，都存在分解速度過快，難以到達血液，或短時間內血液中藥物濃度過高的問題，對人體有非常不良的影響。而通過對三維打印快速成形技術的應用，則能夠為藥物釋放可控性功能的實現提供有力的技術性支持，相信隨著單藥、多藥復合釋藥性口服可控釋放藥片以及藥物梯度控釋給藥系統等技術的成功研制與應用，三維打印快速成形技術的應用潛力將得到更進一步的擴大與提升。

3.3 三維打印快速成形技術在元件制造領域中的應用

通過對三維打印快速成形技術的應用，能夠為產品結構設計檢查工作的開展提供非常好的支持，同時，依托該技術能夠快速制造產品所對應的功能原型件，從而盡早的展開對產品設計性能的檢測工作，縮短設計反饋周期，提高開發有效性，降低開發成本。

4.結束語

結合本文以上分析認為：三維打印快速成形技術作為當前快速成形領域中最具發展潛力的技術手段之一，對比其他快速成形技術而言，有著眾多的應用優勢，其應用空間也是非常廣闊的。特別是在當前快速成形領域學科不斷發展與優化的背景之下，三維打印快速成形技術也勢必會逐步得到更為廣泛與深入的應用。且由于此種技術手段可供選擇的材料范圍廣闊，故而在多個行業的應用價值正逐步顯現出來，值得引起重視。本文即圍繞三維打印快速成形技術及其應用的相關問題進行分析與探討，希望以上引起各方人員的高度關注與重視。

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