三維打印技術應用研究

龔進

【摘要】三維立體打印屬于一種快速成型（Rapid prototyping）技術，是一種由CAD（計算機輔助設計）數據通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。這一過程不再需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀，它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產品研發周期、提高產品質量并縮減生產成本。

【關鍵詞】三維打印；數字雕刻；計算機輔助設計與制造

一、什么是三維打印技術

三維打印機在過去通常又被稱為“快速成型機”。它通過對電腦中三維軟件的識別，進行STL（三角網格格式）轉換，再結合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進行切層工作和相關支撐材料的構造。最后使用噴頭將固態的線型成型材料加熱成半熔融狀態之后擠出來，和支撐材料自下而上，一次一層的構鑄成最終實體。它的工作步驟是這樣的：使用CAD軟件來創建物品，然后通過SD卡或者USB傳輸到3D打印機中，進行打印設置后，打印機就可以把它們打印出來，3D打印機的工作原理和傳統打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成的，打印原理是一樣的。3D打印機主要是在打印前在電腦上設計了一個完整的三維立體模型，然后在進行打印輸出。它的工作步驟是這樣的：使用CAD軟件來創建物品，如果你有現成的模型也可以，比如動物模型、人物、或者微縮建筑等等。然后通過SD卡或者USB優盤把它拷貝到3D打印機中，進行打印設置后，打印機就可以把它們打印出來，其工作結構分解圖如下。3D打印機的工作原理和傳統打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成的，打印原理是一樣的。3D打印機主要是在打印前在電腦上設計了一個完整的三維立體模型，然后在進行打印輸出。

二、三維打印技術的工作方式

1..激光燒結法。使用大功率激光束把粉末加熱到“燒結溫度”，從而把它與基體燒結在一起。最終完成零件的成型過程。目前工業應用此法成型的材料有熱塑料，聚合碳化物、尼龍、蠟等等。

2.噴射微粒法。使用噴咀，噴射出小熔滴，小熔滴射到基體上，冷卻后就形成新的一層材料，如此一層層噴射，一層層增長，最終形成所需的形狀。噴射微粒制造現在已有兩家公司制造出了這種設備，美國的preceptionsystem Inc公司所生產的原型機，可以噴射蠟微滴，以制作精密蠟模。

3..三維噴射粘結法。此法綜合了“選擇性激光燒結”及“噴射微滴”這兩種三維打印法的特點。微型噴頭噴射粘有粘結劑的微粒到需要粘結的地方，逐層噴射直到整個零件坯完成為止。這樣的零件坯還要在120℃的溫度下熱處理2h，取出后去掉未粘結的粉末，還要在1000～1500℃的溫度下焙燒以保證零件達到足夠的機械及耐熱強度。這種方法是由美國麻省理工大學開發的，主要用于制造陶瓷鑄模，鑄芯（用于失蠟鑄造）及多孔陶瓷坯（再用液態金屬滲浸后形成金屬陶瓷復合物零件）。

4.熔化沉積法。這種方法是通過XY控制的加熱頭來送出熔化的材料于基體或已固化的材料上，由于底層材料較冷，從而使熔化的材料沉積固化。這樣逐層，逐帶生成出所需要的零件。采用的材料可以是熱塑性材料，也可以是金屬帶或絲。

三、三維打印技術的材料

1.金屬粉末3DP快速成形。金屬粉末三維打印成形的研究主要集中在成形工藝參數控制與優化、制件后處理強化工藝改進等方面，其目的是解決制件的精度和強度偏低問題。

2.陶瓷粉末3DP快速成形。新型陶瓷結構材料由于具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等優異性能而被廣泛使用，但是其本身硬而脆的特性使其普通加工成形異常困難。

3.型砂3DP快速鑄型。目前鑄造技術及設備的柔性相對較差，通常需要采用多種工藝流程，使用多種裝置、工具、模具和夾具，需要一個較長的周期來制造鑄型或零件原型。鑄件的結構和尺寸的改變將會直接影響鑄型的設計、制造、裝配等長而復雜的工藝過程。隨著高新技術的不斷發展和市場需求的個性化和多樣化，鑄造企業必須掌握靈活性強、市場響應速度快、可小批量生產而不明顯增加產品成本的砂型近凈成形技術。因此，3DP快速成形工藝在鑄造領域得到廣泛的應用。

四、三維打印的應用領域

1.有助于設計成品的驗證。三維打印技術，能在設計過程中將樣件或模型制造出來，評審就一目了然，比圖形更清楚，更直觀。這樣可在早期發現設計差錯，避免由于設計差錯而造成制造工藝裝備的浪費。

2.有利于并行工程的應用。三維打印技術從CAD到CAM可以直接連線或通過簡單的接口就能實現。各個生產部門和生產過程可以共享信息，并行進行。工藝規程和工序設計都降低到最小程度，不需要決定工序的先后次序及復雜的加工路線，從而為并行工程創造了最好條件。

3.模具制造領域的應用。與數控加工技術相比，三維打印技術能更快，更容易地設計并制造出各種復雜的模具，并大大提高生產效率和產品質量。

4.適合于小批量或復雜形狀的工件生產。只要提供CAD模型，就可以制造出相應的原型，這種方法特別適合制造很小或很薄的零件。正是由于它具有這種快速、高效和多能的特點，這項技術才成為90年代人們關注的焦點，并正迅速得到發展。

【參考文獻】

[1]楊繼全，三維打印設計與制造科學出版社，2015年4月

[2]王飛躍，3D打印三維智能數字化創造電子工業出版社，2015年1月