探究3D打印技術(shù)的原理及其應(yīng)用

魏祥義 王吉

摘 要：3D打印技術(shù)已然來到我們生活中，本文介紹了幾種3D打印的原理，提出了3D 的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢。

關(guān)鍵詞：光固化;疊層實(shí)體;熔融沉積成形;激光選區(qū)燒結(jié)

隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)摻雜著制造業(yè)已經(jīng)來到我們的生活中，越來越多的物體利用建模來服務(wù)于生活，具有可持續(xù)發(fā)展的理念，在這種技術(shù)的背后，就是我們所說的增材制造，也可以說是3D打印技術(shù)。

一、3D打印技術(shù)的原理

3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)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)。下面我們講解幾種3D打印的方式。

二、主流3D打印技術(shù)簡介

（一）光固化制造技術(shù)

光固化樹脂是一種透明、黏性的光敏液體，利用光能的化學(xué)和熱作用使液態(tài)樹脂固化，控制光能的形狀逐層固化樹脂，堆積成形出所需的三維實(shí)體零件。光照的方式通常有三種，一是通過一個遮光掩膜照射到樹脂表面，使材料產(chǎn)生面曝光，二是控制掃描頭使高能光束在樹脂表面選擇性曝光，三是利用投影儀投射一定形狀的光源到樹脂表面，實(shí)現(xiàn)其面曝光，擁有更多效率，利用這種光固化樹脂材料的方法通常稱之為光固化法。這種方法也叫SLA方法。

此類技術(shù)優(yōu)勢是速度快，精度高，快速成型;不足之處是光敏脂材料有毒性，操作人員多加防護(hù)。

（二）疊層實(shí)體制造技術(shù)

疊層實(shí)體制造也稱薄形材料選擇性切割，涉及機(jī)械、數(shù)控、高分子材料和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，是增材制造技術(shù)的重要分支，由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、X-Y掃描機(jī)構(gòu)、材料傳送機(jī)構(gòu)、熱壓黏貼機(jī)構(gòu)、升降工作臺和控制系統(tǒng)組成，這種技術(shù)也叫LOM技術(shù)。此類技術(shù)優(yōu)勢是在成形空間大的物體有優(yōu)勢，原材料成本方面也有優(yōu)勢，不足之處是彈性不夠好，容易變形。

（三）熔融沉積成形技術(shù)

融融沉積成形又稱熔融擠出成型，由送絲機(jī)構(gòu)、噴嘴、工作臺、運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)組成，絲狀材料通過送絲機(jī)構(gòu)不斷地運(yùn)送到噴嘴。材料在噴嘴中加熱到熔融態(tài)，計(jì)算機(jī)根據(jù)分層截面信息控制嘴沿一定的路徑和速度進(jìn)行移動，熔融態(tài)的材料從噴嘴中被擠出并與上一層的材料粘合在一起，在空氣中冷化，每形成一層，工作臺或者噴嘴上下移動一層距離，繼續(xù)填充下一層，反復(fù)直至成形，要注意的是用料以及噴頭內(nèi)的熱平衡，還有3D建模的制作，這種技術(shù)叫做FDM技術(shù)。此類技術(shù)優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單成本低廉，不足之處是精度不高。

噴頭熱平衡的平衡式如下：

進(jìn)入系統(tǒng)的熱流-離開系統(tǒng)的熱度+單位時間系統(tǒng)產(chǎn)生的熱=單位時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)存儲的熱

Q耗=QMA-QME

Q耗噴頭中單位時間內(nèi)的能量耗散，QMA噴頭中被帶走的熱量，QME熔體進(jìn)入噴嘴的熱量。

三、3D打印技術(shù)的應(yīng)用

（1）工程制造。有些部件生產(chǎn)要求高，傳統(tǒng)工藝往往無法達(dá)到或者即使達(dá)到但成本過高利用廉價(jià)的塑料樹脂能夠制作出令人驚嘆的細(xì)節(jié)內(nèi)容，呈現(xiàn)出精密的復(fù)雜設(shè)計(jì)具有靈活性，可重復(fù)性，可擴(kuò)展性等等，另一方面是用于工程制造的小批量或者單件產(chǎn)品生產(chǎn)。

（2）教學(xué)發(fā)展。百年大計(jì)，教育為本，近些年，國家對教育投入的成本越來越高，教師可以利用3D技術(shù)打印一些教育模型，可以讓學(xué)生更直觀的看到空間結(jié)構(gòu)，發(fā)揮他們的想像空間，同時，3D技術(shù)利用了一些算法打印，還有CAD的一些知識，可以讓學(xué)生提前了解一下，培養(yǎng)他們的興趣愛好。

（3）醫(yī)療方面。由于3D技術(shù)受到物體大小的局限，所以我們可以在打印時候要求精度準(zhǔn)確，尋找力的平衡，可以用來打印假肢，幫助更多因?yàn)橐馔馐ルp腿的人重新站起來，和正常人一樣生活。“3D打印心臟”是應(yīng)用3D打印技術(shù)實(shí)施人類器官仿制的又一成果。該3D打印心臟可用于心臟解剖的副本，對于練習(xí)復(fù)雜的心臟手術(shù)大有裨益。同時還可以打印“腎臟器官”，但但是目前這些技術(shù)還尚不成熟。

（4）建筑行業(yè)。這項(xiàng)工藝將省去承包商組裝單獨(dú)的部件，然后在地基上搭建組裝單獨(dú)的部件，最終的建筑可以從打印機(jī)直接生成，3D打印機(jī)只要把焦點(diǎn)在沙子上移動就能把顆粒燒結(jié)固體結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，這項(xiàng)技術(shù)甚至可以徹底顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。與傳統(tǒng)建筑行業(yè)相比，3D打印的建筑質(zhì)量會比較好，而且用的人力還少，擁有復(fù)雜的曲面壁。

參考文獻(xiàn)：

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