淺析3D打印技術及其面臨的問題

摘 要：近幾年來，3D打印技術在全球掀起了一場研究熱潮，文章從3D打印技術的概念出發，介紹了3D打印技術的工作流程，同時分析了3D打印技術要進一步產業化所面臨的困難。

關鍵詞：3D打印技術；3D打印工作流程；問題

1 3D打印技術的概念

3D打印技術起源于20世紀80年代出現的快速成形技術[1]，又稱為增材制造技術，與我們傳統制造業的減材制造不同，無需原胚和磨具，根據計算機生成的三維數字模型，使用離散材料（如液體、粉末、絲、片、板、塊等）等成型材料，以一層一層打印的形式來生產三維實體模型，簡單來說就是，通過把3D模型分層成為若干個二維的橫截面，而3D打印機通過一層一層堆積的方式把分層的二維的橫截面進行打印，最終制造出我們所需的實物模型，3D打印是近年來制造領域的一個重大成果，被認為是第三次工業革命的前奏，涉及到材料、機械、電子、計算機等多個領域。

2 3D打印的工藝流程

隨著材料技術的發展，以及對3D打印方法的研究，3D打印技術呈現出“百花爭艷”的局面，不過，目前用的較多的技術有：光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、三維打印（3DP）、選擇性激光粉末燒結（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等，盡管他們的成型工藝各有不同，但他們的完整工藝流程大致都包括三個部分，可分為前處理，3D打印，后處理。

2.1 前處理階段

2.1.1 生成3D模型

利用CAD或建模軟件或通過三維掃描設備等來獲得需要加工產品的CAD模型（即3D模型）；要實現3D打印，3D模型是前提和基礎，但是，在大多情況下，由于設計模型的人在設計模型時并沒有考慮到3D打印的具體需求[2]，這樣就導致很多3D模型需要經過處理后才能輸給3D打印機，通常，為了避免打印出的模型無法正常發揮功能，我們一般需先對3D模型作一些修正，然后再把修正后的3D模型打印出來，目前對3D模型的修正都是通過幾何的方式。

2.1.2 轉換數據格式

轉換數據格式就是將經過修正后3D模型轉化為STL文件格式，STL文件結構簡單，且大多數的商業軟件均可以輸出STL格式3D模型文件，同時STL文件是通過三角網格的方式近似地描述實體模型的表面。

2.1.3 切片計算

根據前面所講，3D打印機通過一層一層堆積的方式把分層的二維的橫截面打印出來，所以我們再進行開始打印之前，還需要把3D模型切成許多個二維的橫截面，每一個二維的橫截面層對應著一個物理薄層，這就是我們所說切片計算，通常我們是通過計算機輔助設計技術來切片的，切片的厚度可以由設計者決定，可以等厚分層，也可以適應性分層，這樣將3D模型變成一系列小單元，這樣就得到了一系列的二維分層切片；而后按照每一個二維分層切片的輪廓信息，來形成數控代碼。

2.1.4 打印路徑的規劃

打印路徑是最終3D打印機進行打印時，生成模型的路徑，通過在由切片計算所得到的橫截面中填充平行線，然后再由橫截面進行截取，再按照一定順序把填充線段連接起來，就構成了打印路徑。打印路徑的優化可以提高加工速度，同時也可以簡化支撐結構。

2.2 進行3D打印

3D打印機打印時，主要是通過上述切片及打印路徑信息生成的代碼來控制整個打印過程，通過從下到上打印出每一個橫截面并層層疊加，最終形成我們所需的打印模型，在這個過程中根據3D打印機打印的技術不同，其具體過程也會不一樣，但大致可分為兩大類，一類以熔融沉積成型技術為代表，熱塑性液態或固態材料由動力系統送至熱噴頭，由熱噴頭加熱或熔化成半液態物質后，向對應的坐標擠壓出來，在平臺上冷卻后形成3D打印截面并將此過程不斷循環，最終形成我們所需三維實物模形，另一類以三維打印技術為代表，由動力系統在加工平臺上送出定量原材料粉末，打印頭向需要成形的區域噴出特殊的黏合劑，有噴黏合劑的粉末會迅速凝結固化，而沒有噴黏合劑的粉末就不會凝結固化，如此不斷循環操作直至完成。

2.3 后處理

經過3D打印機打印出來的物體并不是成品，還需根據自身的需要進行后期加工，來達到可以使用的標準。

3 3D打印技術發展面臨的問題

自從上世紀90年代以來，我國許多高校科研團隊對3D打印技術及相關應用進行了深入的研究。經過多年探索，在3D打印技術上也取得了長足的進步，部分技術處于世界先進水平，不過，我們也應該看到，中國的3D打印產業還處在初級發展階段，遠遠比不上發達國家的水平，同時也沒有完全打開應用市場，離大眾化的普及還有一段距離，歸納起來，要想進一步擴展3D打印產業應用空間，還將面臨以下幾個問題。

（1）價格方面：目前3D打印機造價普便較高，即使有公司推出——廉價的家用3D打印機，而這種打印機只能打印ABS塑料，打印成型的工件應用范圍窄。另一方面學習使用的成本也比較高，學會應用3D打印機需要掌握三維建模知識，才能打印出自己想要的東西，這些都給3D打印的進一步普及帶來了一定的困難[3-4]。

（2）打印材料方面：3D打印的關鍵在于材料。材料必須擁有許多特性，如凝固迅速等。雖然我國也研制了一些適合3D打印的材料，但大部分還依賴進口，并且材料價格昂貴。同時現有的成型材料大多是化學聚合物，選擇范圍有限，同時物理特性也較差，這也給其安全性帶來了一定的隱患。

（3）成品精度方面：目前通過3D打印技術制造的成品，其精度大多達不到所使用的要求，打印效率也不適應規模化生產的需求，而且受3D打印機工作原理的限制，速度與精度之間存在嚴重沖突。此外，打印出的產品沒有經過熱加工，其硬度、強度、剛性、耐疲勞性等機械性能都無法與鑄件、鍛件相比，同時目前的打印機并不能實現大尺寸零件的制造。

（4）知識產權問題：3D打印技術成熟之后，由于現有知識產權保護機制難以適應產業未來發展的需求，這些傳統制造流程中受到知識產權保護的各類創意設計產品和工業制品將不可避免地被大規模盜版，這將引發新一波知識產權問題。

（5）缺乏標準：整個行業各自為戰，缺乏統一的標準，沒有形成整體戰斗力，同時3D打印的產業盈利模式也不明確，也不利于整個行業的發展。

此外還有社會安全問題，如犯罪分子可以用打印機設計提款卡、鑰匙、槍支或其他危險物品等，同時現有的3D打印機基本上都采用塑料作為打印材料，這將加重地球的環境負擔，不利于環境保護。

4 結束語

雖然3D打印技術目前還有許多局限性，但3D打印技術能夠很好地填補傳統制造業的不足，所以從中長期來看，3D打印產業發展前景廣闊，隨著3D打印技術的進一步發展和完善，它將給人們生活帶來更多便利。

參考文獻

[1]萬長征，賴小龍.3D打印的原理及應用[J].數字技術與應用，2014（9）：93.

[2]劉利剛，徐文鵬.3D打印中的幾何計算研究進展[J].計算機學報，2015（6）：1243-1245.

[3]邱青松，曾忠.3D打印技術的優越性與局限性[J].印刷質量與標準化，2015（2）：20-21.

[4]王賢勇.3D打印行業新情況及待解決問題[J].機械研究與應用，2015（4）：239-240.

作者簡介：尹生妹（1984-），女，江西吉安市人，學歷：碩士研究生，職稱：講師，研究方向：現代教育技術在高職教學中的應用，數字印刷技術及應用研究。