3D打印技術(shù)概況及其應(yīng)用

李　健，王　奕，毛新齊，褚連青

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第46研究所

3D打印技術(shù)概況及其應(yīng)用

李健，王奕，毛新齊，褚連青

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第46研究所

3D打印技術(shù)是一種將材料一次性熔聚成型的快速制造技術(shù)，目前已廣泛的應(yīng)用于人類生活的很多方面。本文從文獻(xiàn)研究入手，介紹了3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾類主要的3D打印材料，并列舉了3D打印技術(shù)在日常生活中的重要應(yīng)用。

3D打印；3D打印材料；應(yīng)用

一.引言

3D打印技術(shù)指的是將把材料進(jìn)行一次熔聚，實(shí)現(xiàn)快速制造的先進(jìn)技術(shù)，其依托于數(shù)字模型文件，經(jīng)過應(yīng)用粉末狀的金屬和塑料進(jìn)行打印，而且會(huì)形狀各異，采用連續(xù)層的方式建造空間物體。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用幾乎不需要使用模具，也無(wú)需進(jìn)行機(jī)械加工，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成功能，改變物體的特性與形狀，較之我國(guó)的傳統(tǒng)制造業(yè)，具備一定先進(jìn)性，傳統(tǒng)加工方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的零件制造可以通過此技術(shù)變?yōu)榭赡堋?D打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品的開發(fā)以及形狀較為復(fù)雜的零部件制造，還有快遞快件與批量較小的模具設(shè)計(jì)，此技術(shù)不僅適用這些類型制造，對(duì)于加工難度大的材料制造與設(shè)計(jì)等工程具有顯著作用。

世界上首臺(tái)打印機(jī)誕生于3D Systems公司的Charles Hull，公司坐落于美國(guó)。該公司采用先進(jìn)技術(shù)，通過桌面程序的驅(qū)動(dòng)，將文件轉(zhuǎn)換成為實(shí)際物品。3D技術(shù)的出現(xiàn)早于本世紀(jì)，出現(xiàn)于美國(guó)20世紀(jì)初，而且被美國(guó)政府應(yīng)用于軍事方面，在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，西方經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū)，3D打印技術(shù)的模式已經(jīng)形成，逐步在商業(yè)推廣中開始宣傳。3D技術(shù)不僅局限于上述方面，同時(shí)還分別應(yīng)用于汽車制造業(yè)、醫(yī)療行業(yè)以及航空業(yè)方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠進(jìn)一步降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率，制造出更加符合客戶要求的產(chǎn)品。

二.3D打印材料

3D打印材料是3D打印技術(shù)的重要組成部分，一直以來(lái)材料的不斷更新和完善，助推了3D打印技術(shù)發(fā)展速度?，F(xiàn)在，實(shí)際生活中經(jīng)常應(yīng)用的3D打印機(jī)主要涉及工程塑料、金屬材料、光敏樹脂以及橡膠類材料等。不僅如此，3D打印技術(shù)中還應(yīng)用到了細(xì)胞生物原料、砂糖以及彩色石膏下料等，隨著新技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了巨大突破。

1.工程塑料

ABS材料屬于快速成型的工藝工程塑料類型，其特點(diǎn)明顯，高強(qiáng)度、耐沖擊性優(yōu)良、韌性好等，如果變形屬于正?；A(chǔ)，那么溫度就會(huì)高于90攝氏度，可以根據(jù)情況適時(shí)機(jī)械加工噴漆及電鍍。汽車領(lǐng)域、電子產(chǎn)品消費(fèi)領(lǐng)域以及家電等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

PC材料屬于熱塑性材料，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗沖擊、抗彎曲等特點(diǎn)，可以作為3D打印機(jī)的最終零部件使用，由于其工程材料屬性相對(duì)較強(qiáng)，所以電子消費(fèi)品、航天以及汽車制造領(lǐng)域都在進(jìn)行推廣，并且被廣泛應(yīng)用。

尼龍玻璃纖維狀是白色粉末，與常見的普通塑料相比，拉伸強(qiáng)度較高，彎曲程度與熱變形溫度都相對(duì)較強(qiáng)，主要應(yīng)用于家電、汽車和電子消費(fèi)品領(lǐng)域。

2.光敏樹脂

光敏樹脂是由聚合物單體與預(yù)聚體組成，當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到一定范圍時(shí)，經(jīng)過照射，就可以利用聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)固化作用。光敏樹脂通常呈現(xiàn)液態(tài)狀，是制造防水材料的搞材料，具有耐溫性高、強(qiáng)度高之特點(diǎn)?，F(xiàn)在實(shí)際中經(jīng)常見到的光敏樹脂主要由Somos 19120材料、Somos 11122材料與環(huán)氧樹脂組成。

Somos 11122材料的顯著特性有防水性能好、穩(wěn)定性高，還能夠提供多種性能的工程塑料，在醫(yī)療與電子領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

Somos 19120材料主要用于專用材料的鑄造，建設(shè)成型后，能夠代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?，能夠從一定程度上縮短生產(chǎn)周期，更是具備高精度與流灰燼低的顯著特征。

環(huán)氧樹脂是激光快速成型樹脂，其便于鑄造，對(duì)于快速鑄造模型有很大作用。

3.橡膠類樹脂

橡膠類建造材料特征顯著，包含較多種彈性材料，從材料的硬度、拉伸度等有較強(qiáng)性能，能夠在多種領(lǐng)域應(yīng)用，尤其是防滑與柔軟表面需求領(lǐng)域，3D打印技術(shù)橡膠類的產(chǎn)品包括多種醫(yī)療設(shè)備、墊片以及輪胎等。

4.金屬材料

3D打印對(duì)金屬粉末的要求一般較高，純凈度高、粒徑分布窄、氧含量低的金屬才能作為3D打印材料使用。目前，應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈷鉻合金、不銹鋼、鈦合金和鋁合金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料.

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好、高硬度、低密度等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。但由于陶瓷材料較脆，使其難于加工成型，特別是復(fù)雜陶瓷件需通過模具來(lái)成形。模具加工成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)這些問題得以解決，才能滿足產(chǎn)品更新的需求。

三.3D打印技術(shù)的應(yīng)用

1.航空航天

歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，主要集中在3類：外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造等。波音公司已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的形狀復(fù)雜導(dǎo)管。

2.生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前3D打印技術(shù)在國(guó)際上已開始被用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細(xì)胞或組織打印等方面。

3.體育

在通常的制鞋程序中，設(shè)計(jì)、做模型、再做鞋子要花去很長(zhǎng)時(shí)間。耐克公司鞋類創(chuàng)新副總裁托尼·比格內(nèi)爾表示，制作出一款與設(shè)計(jì)構(gòu)思完全相符的鞋子，可能需要嘗試成百上千次。因此，耐克拋棄了傳統(tǒng)制鞋的過程，使用3D打印技術(shù)，因?yàn)檫@樣才有可能在短時(shí)間內(nèi)突破限制。3D打印技術(shù)使耐克公司能夠在短時(shí)期內(nèi)完成設(shè)計(jì)制造舒適的鞋子，縮短了鞋子的生產(chǎn)周期，也提高了其生產(chǎn)效率。

四.發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。提升3D打印的速度、效率和精度，開發(fā)連續(xù)打印、多材料打印的工藝方法勢(shì)在必行；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，使打印更加高效；3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，滿足大多數(shù)家庭日常應(yīng)用的需求；拓展3D打印技術(shù)在更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用，使更多的行業(yè)受益。

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［3］楊恩全.3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2013（1）

［4］賀超良，湯朝暉，田華雨等.3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展［J］.高分子學(xué)報(bào)，2013（6）