淺析3D打印技術(shù)原理及發(fā)展優(yōu)勢

■文/劉凱 張小瑩

淺析3D打印技術(shù)原理及發(fā)展優(yōu)勢

■文/劉凱 張小瑩

3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術(shù)在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。

3D打印 傳統(tǒng)打印 3D模具

一、過程原理

每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

二、3D打印過程

打印耗材由傳統(tǒng)的墨水、紙張轉(zhuǎn)變?yōu)槟z水、粉末，當然膠水和粉末都是經(jīng)過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。受到噴打印原理的限制，打印速度勢必不會很快，較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產(chǎn)品有10倍提升，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達24位。

三、優(yōu)勢

1、制造復雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。

2、產(chǎn)品多樣化。不增加成本一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數(shù)字設計藍圖和一批新的原材料。

3、無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝基礎上。3D打印機通過分層制造可以不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。

4、零時間交付。3D打印機可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運輸?shù)某杀尽?/p>

5、設計空間無限。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)的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

6、減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機制造金屬時產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費量驚人，90%的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

7、材料無限組合。對當今的制造機器而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因為傳統(tǒng)的制造機器在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多種材料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，具有獨特的屬性或功能。

四、應用狀況

3D打印的應用領域也在隨著技術(shù)進步而不斷擴展。美國科學家已經(jīng)研發(fā)出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機”。人們還使用3D打印來制造雕塑并修復雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三維物體并打印出了實品。

近年來，我國也積極探索3D打印技術(shù)的研發(fā)，初步取得成效。在3D打印設備制造技術(shù)、3D打印材料技術(shù)、3D設計與成型軟件開發(fā)等研究方面，開展了積極的探索。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，基本滿足特種零部件的機械性能要求。在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機制造流程當中，飛機的3D模型設計好后，需要進行長期的投入來制造水壓成型設備，而使用3D打印制造技術(shù)后，零件的成型速度、應用速度得以大幅度提高。

[1]許廷濤.3D打印技術(shù)——產(chǎn)品設計新思維[J].電腦與電信，2012（9）.

[2]王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2013（1）.

[3]陳燕和.3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013（11）.

（作者單位：山東信息職業(yè)技術(shù)學院）