探究3D打印技術的原理及其應用

魏祥義 王吉

摘 要：3D打印技術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 的應用現狀和趨勢。

關鍵詞：光固化;疊層實體;熔融沉積成形;激光選區燒結

隨著社會的發展，科學技術摻雜著制造業已經來到我們的生活中，越來越多的物體利用建模來服務于生活，具有可持續發展的理念，在這種技術的背后，就是我們所說的增材制造，也可以說是3D打印技術。

一、3D打印技術的原理

3D打印即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術。下面我們講解幾種3D打印的方式。

二、主流3D打印技術簡介

（一）光固化制造技術

光固化樹脂是一種透明、黏性的光敏液體，利用光能的化學和熱作用使液態樹脂固化，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，實現其面曝光，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。

此類技術優勢是速度快，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。

（二）疊層實體制造技術

疊層實體制造也稱薄形材料選擇性切割，涉及機械、數控、高分子材料和計算機等技術，是增材制造技術的重要分支，由激光器、光學系統、X-Y掃描機構、材料傳送機構、熱壓黏貼機構、升降工作臺和控制系統組成，這種技術也叫LOM技術。此類技術優勢是在成形空間大的物體有優勢，原材料成本方面也有優勢，不足之處是彈性不夠好，容易變形。

（三）熔融沉積成形技術

融融沉積成形又稱熔融擠出成型，由送絲機構、噴嘴、工作臺、運動機構以及控制系統組成，絲狀材料通過送絲機構不斷地運送到噴嘴。材料在噴嘴中加熱到熔融態，計算機根據分層截面信息控制嘴沿一定的路徑和速度進行移動，熔融態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，繼續填充下一層，反復直至成形，要注意的是用料以及噴頭內的熱平衡，還有3D建模的制作，這種技術叫做FDM技術。此類技術優勢是結構簡單成本低廉，不足之處是精度不高。

噴頭熱平衡的平衡式如下：

進入系統的熱流-離開系統的熱度+單位時間系統產生的熱=單位時間內系統內存儲的熱

Q耗=QMA-QME

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

三、3D打印技術的應用

（1）工程制造。有些部件生產要求高，傳統工藝往往無法達到或者即使達到但成本過高利用廉價的塑料樹脂能夠制作出令人驚嘆的細節內容，呈現出精密的復雜設計具有靈活性，可重復性，可擴展性等等，另一方面是用于工程制造的小批量或者單件產品生產。

（2）教學發展。百年大計，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技術打印一些教育模型，可以讓學生更直觀的看到空間結構，發揮他們的想像空間，同時，3D技術利用了一些算法打印，還有CAD的一些知識，可以讓學生提前了解一下，培養他們的興趣愛好。

（3）醫療方面。由于3D技術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確，尋找力的平衡，可以用來打印假肢，幫助更多因為意外失去雙腿的人重新站起來，和正常人一樣生活?！?D打印心臟”是應用3D打印技術實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，對于練習復雜的心臟手術大有裨益。同時還可以打印“腎臟器官”，但但是目前這些技術還尚不成熟。

（4）建筑行業。這項工藝將省去承包商組裝單獨的部件，然后在地基上搭建組裝單獨的部件，最終的建筑可以從打印機直接生成，3D打印機只要把焦點在沙子上移動就能把顆粒燒結固體結構，實際上，這項技術甚至可以徹底顛覆傳統的建筑行業。與傳統建筑行業相比，3D打印的建筑質量會比較好，而且用的人力還少，擁有復雜的曲面壁。

參考文獻：

[1]魏青松.增材制造技術原理及應用[M].北京：科學出版社，2017.10，8-49.

[2]屬地一書生.3D打印從技術到商業實現[M].北京：化學工業出版社，2017.7，23-37.