淺析3D打印技術(shù)的發(fā)展及其軟件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

宋歌

（安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

現(xiàn)今，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了很大的突破，該技術(shù)秉承的是一種“增材制造”的理念，這種理念起源于美國(guó)，在提出后不久就得到了人們的肯定和發(fā)揚(yáng)。3D打印技術(shù)在美國(guó)發(fā)展最為迅速，從1988年美國(guó)制造出第一臺(tái)打印機(jī)之后，3D打印機(jī)時(shí)代也正式拉開(kāi)了序幕，隨后，其他國(guó)家也在不斷完善這項(xiàng)技術(shù)。到了1992年，3D打印技術(shù)掀起了一股發(fā)展熱潮，與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了對(duì)于3D打印技術(shù)的研究，并取得了相應(yīng)的成果。

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展概述

相較于以往的技術(shù)，3D打印技術(shù)更加傾向于立體的加工，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，由點(diǎn)及面、由面及體。首先3D打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行了提升，實(shí)現(xiàn)了形狀上的改進(jìn)，提高了結(jié)構(gòu)性能，在此基礎(chǔ)上3D打印技術(shù)又進(jìn)一步的發(fā)展，可兼容的材料越來(lái)越多，材料兼容性加強(qiáng)也就意味著制造和打印能力得到了強(qiáng)化。

1.1 多材料多色3D打印技術(shù)概述

多色3D打印技術(shù)，顧名思義就是占據(jù)著色彩的優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)可以發(fā)揮色彩的最大優(yōu)勢(shì)，這種多色打印技術(shù)可以在兼容了多種材料之后用最短的時(shí)間和最簡(jiǎn)潔的方法實(shí)現(xiàn)最大程度的直觀效果。

2007年Object Geomatqies公司發(fā)明了可以兼容多種顏色樹(shù)脂的打印機(jī)，這種打印機(jī)在醫(yī)療行業(yè)和消費(fèi)服務(wù)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，深受大眾的喜愛(ài)，這種打印機(jī)的核心技術(shù)就是Polyject技術(shù)，Polyject技術(shù)在兼容了更多材料之后可以打印出更多的圖形，同時(shí)在材料的選擇上還增加了透明度的選擇，實(shí)現(xiàn)更加立體的打印效果。這種打印設(shè)備稱(chēng)作Object500 Connex3，利用陣列式噴頭將樹(shù)脂噴化成型，這種技術(shù)類(lèi)似于multijet printing MJP技術(shù)，這種技術(shù)主要應(yīng)用在Project 5500X 3D打印機(jī)類(lèi)型上，主要的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)材料配比實(shí)現(xiàn)漸變的效果，通過(guò)漸變視覺(jué)效果的引入實(shí)現(xiàn)3D視覺(jué)感受。

隨后，Z Corporation也推出了ZPrinter系列的機(jī)型，主要采用的是colorjet.printing CJP技術(shù)，這種技術(shù)是通過(guò)5種固定顏色的針頭搭配實(shí)現(xiàn)幾十萬(wàn)種顏色的構(gòu)造。

人們?cè)诓粩嗟难芯窟^(guò)程中豐富和完善打印技術(shù)，逐漸出現(xiàn)了LOM技術(shù)的Mcor IRIS和利用FDM技術(shù)的ProDsk3D類(lèi)型的機(jī)器，不斷完善多彩3D打印技術(shù)。

1.2 功能梯度材料的3D打印機(jī)

功能梯度材料的意思是根據(jù)打印的需求將所使用的材料以不同的組合結(jié)構(gòu)顯示出來(lái)，在航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)τ谶@項(xiàng)技術(shù)要求相對(duì)較高，但是這種類(lèi)型的打印機(jī)存在較高的不確定性，在工作的連貫性上也略有欠缺，綜合各方面來(lái)看，這種技術(shù)仍需要不斷完善和升級(jí)。

1.3 多尺度3D打印工藝

3D打印技術(shù)無(wú)論從宏觀方面還是從微觀方面的能力都有所提升，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)是從一維到三維，從細(xì)節(jié)構(gòu)建整體的一項(xiàng)技術(shù)，也就是說(shuō)這一項(xiàng)技術(shù)有著很大的尺度伸縮性，這就決定了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，例如生物器官構(gòu)造、金屬定向結(jié)晶等都有所涉及。隨著這項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，也逐漸可以控制過(guò)程中的能量，包括氣溫、物質(zhì)元素等，Max Planck研究所的Wanke曾經(jīng)利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)分析研究光子，掌握了控制光學(xué)性能的結(jié)構(gòu)方法，Sercombe也通過(guò)研究這項(xiàng)技術(shù)找出了改進(jìn)組織性能方法、提高產(chǎn)品質(zhì)量和精確度的技巧，除了國(guó)外的科學(xué)家有所涉獵以外，我國(guó)的科學(xué)家也在不斷研究和分析這項(xiàng)技術(shù)的特性，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)可以控制溫度，應(yīng)用于金屬成型階段的制造中，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)地分析，進(jìn)而達(dá)到減小誤差的目的。由此可見(jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)的尺度伸縮性極強(qiáng)，可以給很多領(lǐng)域帶來(lái)幫助，讓很多工程的開(kāi)展可以更加精確有效。

2 3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 面向3D打印的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)DFM技術(shù)設(shè)計(jì)的目的是為了用更少的成本、更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)更好的工作效果，現(xiàn)如今，3D技術(shù)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使產(chǎn)品外形制造變得愈發(fā)容易，無(wú)論是外觀還是精致程度都上了一個(gè)臺(tái)階，從整體上看更加協(xié)調(diào)，從細(xì)節(jié)上看也更加精確，這些都是傳統(tǒng)CAD技術(shù)難以準(zhǔn)確落實(shí)的。因?yàn)镃AD技術(shù)主要是從材料入手，制作成需要的模型，首先，單材料的使用必然會(huì)導(dǎo)致模型產(chǎn)出之后顏色單一，沒(méi)有層次感；其次，材料的單一需求也會(huì)讓一種材料供應(yīng)緊張。人們?cè)贑AD優(yōu)化的過(guò)程中也提出了邊界和構(gòu)造兩個(gè)方面的概念，側(cè)重突出所打印物體的外貌特征和實(shí)際需求，這種技術(shù)主導(dǎo)盡管一定程度上精確化了打印模型的外在，但是卻限制了打印模型的空間，只能實(shí)現(xiàn)見(jiàn)到形狀的打印。

為了更好地推動(dòng)打印行業(yè)的發(fā)展，美國(guó)在不斷的研究過(guò)程中提出了很多理念，以豐富打印的能力。提高打印的效果，其中較為出名的就是AMF模式和XML模式，在AMF中，A指的是additive，M指的是manufacturing，F(xiàn)指的是format，在XML中X指的是extensible，M指的是markup，L指的是language是增材制造文件格式和基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言格式，這2種模式的提出讓打印的精確度更高，效率和質(zhì)量都有所提升，除此之外，還在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和升級(jí)，引進(jìn)了更多的高級(jí)理念，能力更強(qiáng)，讓3D打印機(jī)器使用更加方便、快捷、高效。

要想提高所打印模型的質(zhì)量，讓打印的物品更貼合于實(shí)際的需求，保障所打印出來(lái)的模型信息更加適合在模型構(gòu)建之前的信息要求，需要在模型打印之前首先學(xué)會(huì)構(gòu)建出準(zhǔn)確的樣品，在樣品中綜合體現(xiàn)所有信息的需求和實(shí)際模樣，在此基礎(chǔ)上合理地分析各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)精確有效，然后再進(jìn)行打印，但是這種方式存在著局限性，在實(shí)踐的過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有支持AMF完全發(fā)揮，導(dǎo)致在信息獲取上存在困難。

DFAM和DFM不同，前者傾向于將模型設(shè)計(jì)的更加完善，無(wú)論是從表象還是從結(jié)構(gòu)，亦或者是對(duì)性能和材料做出最佳的選擇，讓模型無(wú)論是生產(chǎn)還是從配搭上都極為簡(jiǎn)單方便，產(chǎn)品綜合性能相對(duì)更強(qiáng)也更具有實(shí)用性，無(wú)論是成本、時(shí)間和傳統(tǒng)的方法相比都有很大的提升空間。

2.2 多色、材料、尺度工藝結(jié)構(gòu)的打印實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的模型制作已經(jīng)不能適用于現(xiàn)階段色彩結(jié)構(gòu)要求較高的市場(chǎng)了，必須做出相對(duì)應(yīng)地改進(jìn)和提升以適應(yīng)時(shí)代的需求，最新的AMF技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)這一需求，提高了輪廓的精確度，完成人們需求的產(chǎn)品。

想要更好地提高打印的技術(shù)、顏色、材料的能力和效果，相關(guān)研究人員經(jīng)過(guò)反復(fù)的琢磨和探究總結(jié)出了陣列式噴頭要比激光或者電子束式打印機(jī)精確度更好，因此陣列式噴頭的打印機(jī)也受到了越來(lái)越多人的追捧，想要更好地落實(shí)3D打印效果，就需要明確打印機(jī)的具體工作模式，現(xiàn)階段在3D打印機(jī)工作過(guò)程中數(shù)據(jù)占據(jù)著十分重要的地位，而數(shù)據(jù)主要分為3D數(shù)據(jù)、2D數(shù)據(jù)和1D數(shù)據(jù)，從點(diǎn)到線、由線及面、由面構(gòu)體，層層遞進(jìn)實(shí)現(xiàn)3D打印效果，因此，想要更好地落實(shí)打印需求，就需要精確各方面的數(shù)據(jù)，從細(xì)節(jié)入手保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效，此外還需要強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)指令、光柵指令等，讓打印技術(shù)更符合要求。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)至今已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，也為人們的工作帶來(lái)了更大的便捷，現(xiàn)在的打印機(jī)無(wú)論是準(zhǔn)確度、色彩豐富度還是有效性，甚至生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量都得到了很大的提升，未來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)仍會(huì)不斷的提升和發(fā)展，朝著更加多樣、更加智能、更加精準(zhǔn)的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量產(chǎn)品的輸出。