3D打印技術在塑料工業中的應用研究

丁雪晨

（河南輕工職業學院，河南 鄭州450000）

本文將以3D打印技術的原理為起點，再結合塑料工業的現狀進行分析，然后將3D打印技術與塑料工業相結合，展望未來發展前景并探討其應用方法，最后將指出3D打印技術在塑料工業上應用的不足之處，從而幫助目前3D打印技術在塑料工業中的應用水平得到提升，并且解決目前3D打印在實施過程中的弊病，期望能夠對塑料工業發展起到一定的幫助。

1 3D打印技術在塑料工業中的應用背景

1.1 3D打印技術的基本概述

3D打印是一種基于數字模型文件的快速成型技術，使用逐層打印的方式來制作塑料制品的新型技術。它被廣泛應用于制造模具、工業設計和其他制造模型的領域，目前正在逐步用于直接生產一些產品。特別是一些高價值產品，已經使用了3D打印技術，意味著這種技術已經開始普及。3D打印機通常使用數字技術材料打印機。在21世紀，3D打印機的生產和銷售額度大幅增加，價格每年都在降低。這種最先進的技術應用范圍十分廣泛，在珠寶、制鞋、工業設計、建筑、航空、牙科、教育、地理信息系統、3D武器方面均有所涉獵，實際上在20世紀90年代中期，3D打印技術是利用光的固化和紙張的重疊技術來實現的。它的工作原理與普通打印機相似，打印設備中配備有打印粉末或是打印顏料用以打印成品，與計算機連接后，由一層層的“打印材料”重疊而成，最后形成電腦上的設計作品。

1.2 塑料工業的發展現狀

隨著中國經濟持續健康發展，中國的塑料工業隨之興起，塑料產品的質量很高，在世界上擁有顯著成就，經濟指標明顯增長，在輕工業產出和產品出口方面排名世界第三。幾十年來，中國塑料行業的經濟表現達到了預期的兩倍。塑料產業作為朝陽產業不斷發展，規模不斷擴大，連續幾十年的經濟發展增勢都在上升，塑料工業的增長、塑料加工設備的增長居世界第一，塑料制品數量居世界第二[1]。工業企業數量快速增長，進一步加強中國的塑料產業創新能力的發展，現已成立數十個高新技術產業群，產業結構、企業結構都在不斷調整，并且形成了集成化態勢，塑料工業的整體發展水平不斷提高，與發達國家的差距正在逐漸縮小，某些方面已經達到世界先進水平。在塑料工業中，塑料制品是加工的主要產品，包括塑料合成樹脂、助劑、添加劑、塑料加工設備、塑料模具。國家也在大力支持塑料工業的發展，積極促進塑料工業改造和塑料工業現代化，堅持走新工業道路，塑料工業由此正在蓬勃發展，塑料工業在經濟建設中日益重要的作用，是塑料工業逐步從大規模到發展勢頭強勁的重要保證。

2 3D打印技術在塑料工業中的應用表現

2.1 傳統塑料工業制造工藝

在人們日常生活中，時刻需要塑料，塑料制品已經覆蓋了人們的整個生活，衣食住行的任何一方面都有大量的應用，但塑料材料相對于其他材料來說有著不可規避的不足，例如相比于金屬材料來說易破損，主要表現在塑料制品易老化，易破裂，過大的沖擊會引起變形、凹痕、撕裂或殘缺。塑料零件的更換成本通常較低，因此塑料零件損壞時基本上都會直接更換。一般的鑄造、擠壓、沖壓等方法，主要是批量生產，生產前需要設計模具，單獨的塑料產品成本高，制作周期通常比較長。造成一些定制產品不能及時、有效地送到客戶手中，并且單獨制造塑料制品對于塑料制造企業來說是一項耗費材料和時間的工程，所以不適合批量生產的企業去制造。

2.2 3D打印技術在塑料工業制造中的制造工藝

與傳統的塑料制造技術相比，3D打印形式的定制塑料部件具有明顯的優勢，如時間快、周期短、運用方式靈活，借助RE技術、CAD建模技術，3D打印技術在一定程度上彌補了塑料工業中存在的部分不足，并消除了傳統塑料制作方法方面的部分困難。例如在修復塑料的破損部分時，傳統工藝首先要分析破損原因，塑料制品的斷裂是由外力造成的，利用傳統修復方法通常會使塑料制品的整體強度和美觀性方面與原來的質量和美觀程度有所差別，所以需要直接更換新部件。但塑料制造企業并沒有破損部分的模具，所以選擇更換部件通常是不明智的，不僅影響產品的質量或美觀性，甚至直接損害整個產品[2]。使用3D打印技術，可以快速制作出一次性塑料零件，創建數據模型的打印部分可以有兩種方式：用簡單的手工測量方法來測量CAD模型；對零件進行3D掃描后，收集大量數據，并完成細節建模。對于缺少碎片的一些塑料部件，例如，如果缺失的部分較小，傳統的制造方法可以完成，但是當更大的空白難以填補時，如汽車模型、卡通模型通常很難得到相同的零件，此時，3D打印技術可以在安裝或組裝后重新修復材料。

2.3 3D打印技術在塑料模具制造上的應用

3D打印技術主要是通過反向思考來制作塑料制品，3D打印技術可以在模具處理過程中解決問題，并可以直接縮短塑料制品的制作時間。可以結合傳統的塑料制作技術，更好地制作塑料制品。3D打印分為3D剖面、模型分層和打印。3D建模的質量，對后續生產有著非常重要的影響，使用3D打印技術在3D空間中定義不同的制品參數，提供模型的空間坐標，確保塑料制品的形式符合最終產品的要求。模型分層主要用于3D打印時將塑料制品分為幾個層次，并在每一層存儲相關信息，層數分得越多，產品的準確性越高，生產速度越慢。在最后打印時，3D打印機可以自動讀取信息，最終根據程序，使3D打印材料成型，滿足需求的塑料制品形式。

3 3D打印技術在塑料工業中的應用發展

3.1 3D打印技術應用于塑料工業的發展前景

3D打印如一場風暴席卷傳統塑料加工領域，讓傳統的塑料工業有了高質量的飛躍，其不需要二次加工，在廢物利用方面同樣取得了重大進展。3D打印的效率和速度也在迅速提升。當然，3D打印也有一些缺點，如打印機的價格比較昂貴，維護成本很高，并且對于材料的要求也比較高。操作3D打印軟件的步驟也非常復雜，使用3D軟件處理的數據數量也很多，目前還不能實現批量生產[3]。在某些領域，傳統打印技術仍然很難被取代，因為傳統打印技術中有很多優勢，例如上述提到的成本問題和打印效率問題，但3D打印技術同樣擁有自己的技術優勢，能完善一些傳統工藝方面的技術難點，只要將打印過程中的成本降低，將設備的造價與售價降低，提高生產效率，生產線能夠批量化生產，相信3D打印技術的前景依然十分廣闊，未來一定會有更好的發展。

3.2 3D打印技術應用于塑料工業的發展關鍵

解決材料方面的不足。由于塑料本身的強度問題，3D打印的性能將取決于塑料材料的極限性能，3D打印主要用于普通產品，具有特殊功能的塑料制品幾乎無法應用。目前盡管現有塑料材料的質量在發生變化和改進，還研發出了一些高性能塑料并已經取得了一些研究成果，但它們的性能仍然難以滿足塑料3D打印機的需求，難以打印出功能完整的塑料制品，從而限制了塑料3D打印技術的發展。因此，未來對3D塑料的研究應當集中在如何提高塑料的高性能上，包括耐熱和強度等。需繼續提高現有塑料制品的生產率。

解決推廣方面的不足。由于塑料零件更換成本低，整體打印成本更高，3D打印技術在塑料材料生產中并不適用和被推廣，進一步減少打印成本，提高3D塑料部件打印效率是未來研究的一個重要問題。目前，3D打印的推廣率很低，特別是在打印數據建立方面，3D打印技術在塑料修復方面的應用范圍非常窄。隨著3D打印技術的進一步發展和推廣，這種情況將會改善。例如，價格很低、使用很方便的FDM打印機陸續進入學校、家庭等，特別是3D打印的網絡軟件，使3D打印更加方便，即使沒有專業技術也能實現3D打印。

4 結論

塑料制品的制作過程中，3D打印具有快速和靈活的優勢，可以運用RE技術和CAD建模技術進行制造，在一定程度上彌補傳統塑料回收不便和生產效率不高的不足。隨著3D打印技術的進一步發展和推廣，降低3D打印成本和提高3D塑料打印的生產率將逐漸成為現實，3D打印將會被更廣泛應用于塑料生產和修理打印設備，特別是在高精度、高價值或有紀念意義的塑料產品中。