3D打印技術及應用趨勢分析

張宇 內蒙古機電職業技術學院

一、3D打印的原理

3D打印作為目前工業制造領域的前沿技術，集合了多種技術，包括分層制造技術、機械工程、數控技術、CAD、激光技術、逆向工程技術、材料科學等，可以直接、快速、自動、精確地將三維設計模型轉變為具有定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種低成本的高效實現手段。3D打印技術的基本原理是斷層掃描的逆過程。斷層掃描是把某個東西“切”成無數疊加的片，3D打印則是通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體技術，因此3D打印制造技術又被稱為“增材制造技術”。

二、3D打印的關鍵技術

3D打印技術需要依托多個學科領域的尖端技術，主要包括以下方面：信息技術，即要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并根據模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向；精密機械，即3D打印技術以“每層的疊加”為加工方式，產品的生產要求高精度，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求。

1.三維噴繪打印技術。三維噴繪（3DP）技術是現階段最為常用的一種3D打印方式。所用設備為標準噴墨打印機，可以適配多種粉末打印材料，例如陶瓷粉末、塑料粉末以及骨粉等。預設程序、建立模型后，在計算機指令控制下，先鋪一層粉末，然后移動噴嘴，通過噴嘴將粘合劑噴到制定的區域，使粉末狀的材料粘結在一起。完成第一層打印后，可以得到產品的雛形，然后繼續重復上述步驟，在多次鋪粉、噴涂、粘結以后，最終得到所需的產品。如果需要打印彩色產品，可以選擇相應顏色的粘結劑。

2.激光光固化技術。SLA以光敏樹脂為原料，這種液態材料在一定波長（λ=325nm）和強度（E=30mw）的紫外光的照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態轉變成固態。液槽中會先盛滿液態的光敏樹脂，氦-鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束在計算機的操縱下按工件的分層截面數據在液態的光敏樹脂表面進行逐行逐點掃描，這使掃描區域的樹脂薄層產生聚合反應而固化從形成工件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，直至得到三維實體模型。

3.SLS選取激光燒結技術。SLS工藝中使用到的設備有激光器、掃描鏡、平整輥等。技術流程為：首先在作業臺上鋪上一層合適厚度的粉末材料，可以選擇聚碳酸酯粉末、尼龍粉末、陶瓷粉末，其最大的獨特性是能夠使用金屬粉末直接制造金屬制品。然后預設程序、讀取模型，在計算機控制指令下，CO2激光器會發出激光束，并通過掃描鏡照射作業臺上的粉末材料。由于激光具有極高的能量，會對粉末材料進行燒結，首先形成產品的外部輪廓，然后繼續鋪粉，由外向內的燒結粉末，經過多次鋪粉、多次燒結后，最終形成所需的產品。相比于上述幾種3D打印方法，基于SLS工藝的選區激光燒結技術工藝流程相對簡便，而且產品制作的速度較快。但是這一技術也存在缺陷，例如打印件表面粗糙，由于SLS工藝所使用原材料為粉末狀的，原型制作過程是由材料粉層加熱熔化實現逐層燒結，因此原型表面為粉粒狀，表面質量不高。

三、3D打印技術應用趨勢

1.醫學領域。3D打印技術在醫學領域的應用不亞于一場革命，利用3D打印技術可實現人體器官、齒形矯正、手術導板、骨骼的打印，其中打印出的骨骼，可暫時代替人體骨骼支撐，同時在受損骨骼康復后，打印骨骼可以自然無害溶解。此外，3D打印技術還可打印軟骨組織，如半月板，目前該應用在美國已經逐步普及。隨著3D打印技術的進步、各類3D打印醫療應用的增加、定制化3D打印醫療產品的增長，以及3D打印技術對患者康復和護理方面提供的便利，3D打印技術在未來醫學領域的應用前景極其廣闊。

2.航空領域。3D打印技術在航空領域可用于先進機械零部件的加工制造，實現減輕重量、增加使用壽命的作用。傳統制造方法已經將零件減重發揮到了極致，但是運用3D打印技術對復雜零部件的結構進行拓撲優化，通過將復雜結構重新設計為簡單結構，可在保證性能的前提下減輕零部件重量，使零件應力呈現出合理化分布，減少疲勞裂紋產生的危險，延長零部件使用壽命。以我國生產的大型客機C919所使用發動機LEAP-1C發動機為例，該發動機運用3D打印拓撲優化后，燃料噴嘴相比傳統燃油噴嘴在多方面取得了進步，部件數量上由20件降為1件，整體重量減輕25%，使用壽命提升5倍以上。

3.考古領域。3D打印技術可以助力文物修復或重建，破損古文物經3D掃描，完成數據采集和處理，即可建立模型并打印，具備操作簡單、成型快速、還原度高等諸多優點。早在2014年，重慶大足石刻景區就曾應用3D打印技術對千手觀音像進行修復。相比通過手工鑄模修復，3D打印技術可以提供文物的精準數字模型作為參考，減少因高頻次觸碰文物造成二次損壞，還可以為修復工作提供多種方案嘗試的可能性。隨著3D打印技術應用的不斷成熟，3D打印與3D掃描技術在考古研究、文物保護中將發揮更大的價值。

3D打印技術在理論上較為完備，技術工藝上仍在不斷創新突破。作為一項革新的技術，3D打印改變了人們的思維方式，給科學研究提供了強有力的工具，并有望創造出巨大的社會和經濟效益。目前，3D打印技術已在醫學領域、航空航天領域、考古領域得到廣泛應用，未來隨著新技術的進步、新材料的突破，3D打印技術將持續深入各行業、全領域，促進國防、醫療、民生、教育等領域科技進步，為人類的生活、工作、健康等提供更廣闊得空間。