3D打印技術及其在高中物理實驗中的應用設想

肖顥言

（廣東省廣州市海珠外國語實驗中學，廣東廣州，510280）

本文結合對機械工程領域的3D打印技術的認識，針對3D打印技術所呈現出的一些技術優(yōu)勢，調研分析了3D打印技術的應用現狀，并以此為基礎重點總結分析了3D打印機的一般結構組成以及3D打印的原理性工作過程，并就SLS激光粉末燒結成型、3DP三維打印、SLA激光固化、FDM熔融沉積造型和LOM層疊法成型五種典型3D打印技術進行了技術與特點分析。

1 3D打印技術應用現狀

3D打印技術已經逐漸滲透到生產生活的方方面面，如打印結構復雜的食物造型、高精密機械零部件、人體骨骼器官和進行教育教學示范等。

在日常生活上可以利用3D打印技術來打印日用品，實現節(jié)省人力資源降低日用成本，還可以借助3D打印技術給生活增添科技元素，比如3D打印生日蛋糕等其他禮物禮品。在尖端制造業(yè)領域，一些尖端科技產品的制造需要精確計算，精準加工，但單純依靠手工制作難以做到滿足要求，而借助3D打印技術則完全可以實現。除此之外，3D打印技術在醫(yī)學領域也得到了一些應用，骨創(chuàng)傷方面利用3D生物打印技術，可以增進醫(yī)療救護成功率，在有些方面還可以幫助病號快速恢復。近些年有些中學也組建了3D打印技術興趣小組，并獲得政府和社會企業(yè)的資助，建立起了3D打印技術示范基地，通過興趣小組和示范教育，以鍛煉中學生的想象能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，為國家培養(yǎng)3D打印和智能制造后備人才奠定基礎。

2 3D打印技術原理

3D打印技術的本質首先是通過計算機輔助設計（如CAD）軟件設計三維模型，再將三維模型通過計算機轉義為由數據組成的三維模型STL文件，在計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)的數據處理下，控制3D打印機進行噴涂原料等系列操作，便可進行三維成品的打印，最后通過進一步處理得到最終成品。

2.1 3D打印機的結構

3D打印機又稱快速成型機，采用液體或粉末狀的材料來加工出預期產品，是集傳統(tǒng)制造加工技術、計算機輔助設計、數控技術、激光加工和材料成型等技術于一體的機電一體化設備。經過近些年的發(fā)展，市場上有十分豐富的產品，本文選取一種典型的3D打印機進行結構分析，如圖1所示。

2.2 3D打印工作原理

3D打印可以快速自動地實現概念產品從設計到成品的打印，主要可以實現如概念性成品、測試型成品、模具型產品和實際應用產品的打印，三維成品的形成均是按照如下所述步驟完成。

圖1 3D打印機結構與外觀

步驟一：三維模型的構造。3D打印機系統(tǒng)只識別計算機設計并構造的三維模型，然后按照一定的結構原理進行切面得到截面加工圖，可見3D打印的基礎是根據最終成品要求借助類似CAD的計算機軟件進行輔助設計，或類似從二維圖像轉換為三維模型，也可以通過特殊測量儀器對現有三維成品進行掃描，采用逆向工程實現三維重構，得到有效的三維模型。

步驟二：三維模型的近似處理。由計算機輔助軟件得到的三維模型圖需要結合3D打印機進行近似處理，如存在的一些不規(guī)則自由曲面，加工前必須得到有效處理，方可打印執(zhí)行。CAD軟件具備自動轉換并近似處理功能，得到STL（Standard Template Library）格式文件，但仍舊需要進行手工局部修改。

步驟三：三維模型的分層處理。由于3D打印技術是通過分層加工實現的，因此在打印前通常需要將上述三維模型在縱向方向離散成系列二維截面，提取相應的截面輪廓參數，3D打印機按照提取出的參數，并以一定精度開始打印成型。

步驟四：三維模型的截面加工。結合上述的二維截面輪廓參數，3D打印機在計算機控制作用下，其噴頭在二維坐標下開始二維掃描打印，并根據材料性質不同采用不同的工藝流程開始逐層成型。

步驟5：三維模型的截面疊加。每層二維截面成型后，下一層的材料會按照程序被打印在已成型截面之上，進行下一層的打印，并通過加熱等特殊處理實現前后兩層的粘結，進而實現逐層疊加，最終形成三維成品。

步驟六：三維成品的后處理。通過前五步成型的樣品相對比較粗糙，需要進行后處理，如打磨將實物體上的松散或無用組織去除，刨出具體模型，并對實物表面進行拋光，使其表面光滑，有的因材料特性要求需要重新高溫處理才能得到目標性能參數，最后在物體表面噴涂一層蠟，以達到堅硬、耐磨、耐高溫和防水的效果。因此，可以說后處理是3D打印非常關鍵的一步。

3 高中物理實驗中可能的3D打印技術分析

作為理科生，體會最為深刻的是物理課程實驗，由于很多因素，實際上大家對純理論的實驗驗證缺乏興趣，最后難以取得良好的效果，但由于近期學校不斷將一些前沿技術引入到高中興趣實驗吸引了大家的眼球，如機器人、物聯網、3D打印等激起了大家投身實驗的興趣。正是如此考慮，作者結合自身學習經驗，對3D打印技術與高中實驗課程進行一些交叉設想，為進一步激發(fā)高中生實驗興趣，掌握基本實驗原理提供借鑒參考。

3.1 3D打印技術在物理實驗中的應用合理設想

高中物理實驗主要是基于對力學、運動學、熱學與光學等基本原理的驗證，經常會由于其實驗操作的復雜、實驗過程的枯燥、實驗結果處理的無趣，難以激發(fā)實驗的興趣，所以可以考慮將部分實驗裝置引入3D打印技術進行現場制作，如打點計時器等實驗中經常使用的小車、驗證動能定量與動量守恒用的小球等簡單機械部件，均可通過引入3D打印環(huán)節(jié)，給實驗增添一些科技元素。

3.2 3D打印技術在物理實驗中的應用效果分析

相信通過在原本所謂枯燥的物理實驗環(huán)節(jié)引入3D打印技術，可以取得如下兩個效果。

第一：在物理實驗中引入3D打印技術，有助于提升高中物理實驗科技含量，激發(fā)高中生的實驗興趣，在提高實際動手動力的同時，還為深刻掌握物理基本原理帶來巨大空間。第二：在物理實驗中引入3D打印技術，可以豐富高中實驗內容，將當前先進科技引入高中課堂，有助于激發(fā)高中生對科技的追崇和探索意識，為國家培養(yǎng)高科技人才具有積極意義。

4 結論

3D打印概念及產品發(fā)展已經相對成熟，由于其帶來的制造便利性，曾有人預言將會帶來制造技術的革命性變化，正是其工藝簡單、控制方便，只要有概念模型即可進行打印。因此，基本上任何行業(yè)任何領域都可以廣泛使用。借助3D打印的快速性和可控性，可以大大縮短制造研發(fā)周期，為制造企業(yè)快速跟蹤市場需求提供有力工具。近些年也有將3D打印技術應用于生物醫(yī)學領域，可以通過某些特殊操作打印制造活體器官，這也給生物醫(yī)學領域帶來新的發(fā)展動力，為人類帶來健康福音。相信，隨著3D打印制造技術的進一步發(fā)展完善，一定會給日常生產生活帶來巨大轉變，為智慧制造與健康生活帶來新的動力與新的希望。