3D打印技術原理及發展應用

摘 ?要： 近些年，隨著人類科學和社會的不斷進步，對加工制造技術也提出了更高的要求，3D打印技術作為一種新型的快速加工成型技術開始逐漸發展成熟起來，在生物醫學、建筑、工業設計、美術制作等領域得到了不同程度的應用。本文綜述了3D打印技術的發展過程，詳細介紹了3D打印技術的基本原理和實現過程，分析了3D打印技術在仿真建模與工藝流程上的具體實現方法，比較了3D打印技術和其它打印技術的優缺點，最后對3D打印技術的發展和未來進行了一定程度的展望。

關鍵詞：?3D打印;仿真3D建模;數控操作

中圖分類號： TP391.7????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.039

本文著錄格式：張家寓. 3D打印技術原理及發展應用[J]. 軟件，2019，40（9）：172-175

Principle and Development of 3D Printing Technology

ZHANG Jia-yu

（Affiliated Middle School to Inner Mongolia Normal University，?Inner Mongolia Autonomous Region，?Huhhot 010020，?China）

【Abstract】： In recent years， with the continuous progress of human science and society， higher requirements have been put forward for processing and manufacturing technology. As a new type of rapid prototyping technology， 3D printing technology has gradually developed and matured， and has been applied in biomedicine， architecture， industrial design， art production and other fields to varying degrees. This paper summarizes the development process of 3D printing technology， introduces the basic principle and implementation process of 3D printing technology in detail， analyses the specific implementation methods of 3D printing technology in simulation modeling and process flow， compares the advantages and disadvantages of 3D printing technology and other printing technologies， and finally makes a certain prospect for the development and future of 3D printing technology.

【Key words】： Three-dimensional printing;?Simulation of three-dimensional modeling;?Numerical control operation

0??引言

21世紀是一個科技高速發展的時代，為了躋身工業化強國行列，一個國家的工業化加工制作技術顯得尤為重要。新時代的加工制作技術有了更多的實現方式，從總體上分為三類：增材制造，減材制造和形變制造技術^[1]。其中增材制造技術又被稱為3D打印技術。

3D打印技術^[2，3]是一門涉及機械工程、電子工程、材料學、工業設計等學科的綜合技術，是一種新型的加工制造方法。3D打印技術是通過掃描實際物體三維模型或者計算機設計三維物體模型得到物體三維數據，對三維數據進行分層并進行路徑規劃，最后利用粉末，液體等材料打印成型的一種技術。同減材制造技術相比，3D打印技術速度快，加工精度更高，更加省材，在微小復雜工件的加工制作方面具有更大的優勢。目前已經逐步應用于機械關鍵零部件，奢侈品的創新設計，生物醫療方面器官打印等方面。

19世紀末，3D打印核心制造思想在美國誕???生^[4]。1979年，美國科學家獲得早期3D打印技術專利并隨后在1985年左右得到了進一步發展具備了3D打印技術的基本雛形^[5]。20世紀80年代后期，市場化的3D打印機正式出現^[6]。進入21世紀，各種基于不同打印材料（液體狀、粉末狀、片狀），不同打印方式（熔融沉積成形、激光燒結、分層實體制造等）的3D打印機不斷出現更新^[7，8]。更加廉價實用化的材料，更加快速準確的加工方式，更加多元化的應用領域使3D打印技術具有了更加廣闊的前景^[9，10]。

本文詳細介紹了3D打印技術的發展背景和基本原理知識，并圍繞硬件和軟件兩方面進行了詳細論述，分析了3D打印技術在仿真建模與工藝流程上的具體實現方式，比較了3D打印技術和其它打印技術的優缺點，最后對3D打印技術的發展和未來進行了一定程度的展望。

1??3D打印技術的基本原理

3D打印技術雖然有不同實現的打印方式，但從整體上可以劃分為四個步驟：三維掃描建模，分層和路徑規劃，數控打印，實物成型。

三維掃描建模：在打印之前我們必須首先獲取物體的三維形貌，將需要打印的物體用三維輪廓儀進行掃描，記錄下被打印物體的三維形貌信息。也可以在計算機上直接構建出想要打印的物體的三維輪廓。

分層和規劃路徑：3D打印核心原理是分層打印，根據打印物體的材料，打印精度等需要首先確定打印物體的三維輪廓分為多少層二維平面圖像，分割的層數越多，打印精度相對越高整體性越好，但是時間花費和加工成本也會相應增加。計算機根據掃描切割而成的多個二維圖像進行精密的分析與修改，規劃出打印成品所需控制每層所需要走過的路徑信息，通常路徑規劃對于加工樣品和質量和加工速度都會產生很大影響。

數控打印：根據規劃好的路徑信息輸入到計算機進行控制相應的硬件進行工作，具體的3D打印技術可以分為很多不同的種類，根據所選材料及外界環境等因素的影響，在實際打印中會選擇不同的打印機與不同的打印方式。我們在這里對選擇性激光燒結，光固化和熔融沉積造型三種不同的打印方式進行過詳細的分析與總結。

實物成型：最后當每層都打印完成后，實物成型，打印結束。

1.1 選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering， SLS）

選擇性激光燒結是1989年美國德克薩斯大學提出，采用一種用特定波長與強度的激光，逐層將粉末材料燒結成型形成三維實體的一種3D打印方式，簡稱SLS。選擇性激光燒結工藝使用的是粉末狀材料，根據規劃好的路徑在計算機的控制下用激光器對粉末材料進行選擇性的分層燒結，一層結束后進行下一層燒結操作實現層層堆積。選擇性激光燒結的原理圖如圖2所示。

首先將粉末平鋪到已成型工件的上表面，計算機操控激光束根據規劃好的路徑進行逐層掃描使粉末升溫融化進行燒結和已經打印完成的部分融合為一體。當本層打印完畢，工作臺進行高度改變，從新鋪上粉末進行新層的操作如剛才過程所示直至加工完全成型。

1.2激光光固化技術（Stereolithography Apparatus?SLA）

激光光固化技術是在1984年在美國出現，采用特定波長與強度的激光照射到材料表面使光固化材料逐漸進行凝固成型的一種發展較早的技術，由點到線到面到三維物體，簡稱SLA。工作時，液態光敏樹脂材料放在槽中，采用特定波長與強度的激光照射到材料表面，根據規劃好的路徑在計算機的控制下用激光器對光敏樹脂材料進行逐點掃面，照射到的區域進行固化變成固體，未照射部分還是液體。當前層掃描完畢后，工作臺進行高度移動，繼續覆蓋新的液態光敏樹脂在已經固化好的物體上，繼續進行上一步操作，直至所有層都固化完畢。激光光固化技術出現時間少，應用通用性強，并且加工精度高，具有不錯的加工性價比。

1.3熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling， FDM）

熔融沉積成型是ScottCrump在1988年提出的。是一種通過把噴頭加熱使熱塑性材料通過時擠出固化粘結成型的3D打印技術。原理過程如下圖所示：塑膠通過末端加熱頭變成熔融狀態，在從噴嘴出來時溫度降低冷卻凝固在一起，通過數控控制噴嘴頭的位置改變可以實現逐層的打印。當本層打印完畢，改變平臺高度繼續進行下一層打印直到打印結束。

1.4 不同3D打印技術的優缺點比較

我們對上述3中3D打印技術進行了總體的分析比較如表1所示。

2??3D打印技術的應用

生物醫學應用：目前3D打印在生物醫學方面很重要的一個應用是生物打印技術，目前已經有研究報道，骨組織，軟管等通3D打印技術實現了再現，隨著技術進一步進步，打印人體器官實現移植也會逐步應用到臨床中。同其它技術相比，3D打印技術具有更高的準確性，并且可以對生物器官等內部具有復雜結構的物體實現打印再現。另外通過3D打印技術制造的醫療器械也已經慢慢投入生產，更

加滿足醫生的需求。

超精密器件應用：3D打印技術的一個突出優點就是可以打印一些小的而且結構復雜的物體，對于一些超精密儀器來說，通常不好加工并且價格昂貴，

3D打印技術很好的解決了這一點，舉個例子對高精度的光學透鏡進行加工。傳統的超精密透鏡加工步驟繁瑣，生產周期長，成本高，通過3D打印可以很好的解決這些問題，目前3D打印對玻璃材料仍處于研究階段。目前可實現高精度成形控制的方法有熔融沉積成形（FDM）。

在工業方面的應用：摩托車車架、汽車外殼甚至飛機零件等大物品，需要較大的打印機和更大的放置空間，這一技術如今在工業領域得到廣泛應用，人們用它來制造服裝、建筑、汽車等，顛覆了傳統工業的加工制造技術，具有廣闊的發展前景。

3??總結

本文詳細介紹了3D打印技術的發展過程和基本原理知識、3D打印技術在仿真建模與工藝流程上的具體實現方法、比較了不同3D打印技術的優缺點并對3D打印技術的應用領域進行了介紹。

在人類的生產生活中，難免會遇到生產加工方面的困難。3D打印技術的出現與發展在極大程度上減輕了勞動人民的負擔，大大降低了制造的成本和所需時間，提高了人們工作的效率，這對人類現在乃至以后的科技發展生產力提升有著里程碑般的意義。但是3D打印技術仍存在著一些局限性，比如目前打印材料的范圍有限，限制了3D打印技術的進一步推廣;目前的3D打印很難實現大規模應用，一個很大的原因就是速度仍然不是特別快有待進一步提高，無論在三維信息分層還是每層的路徑規劃

都有待進一步改進算法，提升效率和準確度，另外材料的選擇和成品的耐用性都還有很大的提升空間，如果未來在這些局限因素上多下功夫，我相信這項技術將具有極高的地位與長遠的前景。

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