3D打印技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展研究

戴楓怡

摘 要：3D打印是一種快速成型、制造先進(jìn)的前沿技術(shù)，具有堆積制造、快速制造、數(shù)字制造以及直接制造等優(yōu)點(diǎn)，目前已在我國(guó)醫(yī)學(xué)、文化、建筑以及工業(yè)等行業(yè)中得到了推廣與應(yīng)用，特別是在數(shù)字模型行業(yè)受到了廣泛關(guān)注。我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，能夠有效推動(dòng)我國(guó)產(chǎn)品制造業(yè)的發(fā)展，為此認(rèn)為3D打印技術(shù)是推動(dòng)各行各業(yè)快速發(fā)展的重要推動(dòng)力。本文就將結(jié)合3D打印技術(shù)的應(yīng)用情況，對(duì)其發(fā)展展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展

3D打印技術(shù)是在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，利用塑料以及粉末金屬等材料，運(yùn)用積層造型方式，快速構(gòu)造實(shí)物對(duì)象的一種制造技術(shù)。尤其是我國(guó)進(jìn)入信息時(shí)代后，數(shù)字技術(shù)發(fā)展十分快速，3D打印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品制造方面得到進(jìn)一步推廣，如骨骼制造、航空航天、教育以及工業(yè)制造等方面。3D打印技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，標(biāo)志著該項(xiàng)技術(shù)在人們生活中越來(lái)越普及，也得到了人們的喜愛(ài)與關(guān)注。本文對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展實(shí)況做了闡述，希望3D打印技術(shù)能夠促進(jìn)我國(guó)各行各業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展領(lǐng)域。

1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 SLA技術(shù)和SLS技術(shù)

立體光固化成型法（SLA技術(shù)），屬于實(shí)用類的快速成型技術(shù)。首先，使用CAD制圖技術(shù)設(shè)計(jì)出實(shí)體的三維模型，再利用離散程序?qū)δＰ妥龀銮衅幚?，?duì)掃描路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，這個(gè)過(guò)程生成的數(shù)據(jù)將會(huì)直接影響激光掃描設(shè)備以及升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其次，使用激光光束控制掃描設(shè)備，直接照射在樹(shù)脂表層，固化表層的一層樹(shù)脂生成零件截面。最后，按照設(shè)計(jì)路徑，對(duì)升降臺(tái)進(jìn)行適度調(diào)整，固化表層再覆蓋新的樹(shù)脂，繼續(xù)進(jìn)行掃描，所有固化表層都會(huì)與上一層進(jìn)行穩(wěn)定粘結(jié)，周而復(fù)始形成三維實(shí)體模型，之后將模型取出進(jìn)行再次固化、加工、打磨得到成品。該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在模具制造中，成型速度非?？欤_度高[1]。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS技術(shù)）。在實(shí)際操作中，首先利用粉末缸將粉末均勻地鋪設(shè)在成型鋼中，利用計(jì)算機(jī)來(lái)控制激光束的掃描軌跡，需要注意的是這里的掃描軌跡是二維的；其次是選擇性地?zé)Y(jié)粉末，使材料逐漸形成零件層面，完成粉末工作后，再將活塞進(jìn)行適度的調(diào)整，并在鋪粉系統(tǒng)中添加新的粉末，再進(jìn)行激光束的二次掃描；循環(huán)往復(fù)工作后，形成三維零件，然后再將燒結(jié)之后的粉末收回，并將成品取出。SLS技術(shù)能夠使用的成型材料種類較為廣泛，不僅能夠節(jié)省用料，還不需要復(fù)雜系統(tǒng)的支撐，因此該項(xiàng)打印技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。

1.2 FDM技術(shù)和LOM技術(shù)

熔積成型法（FDM技術(shù)）。此打印技術(shù)首先是利用金屬、塑料以及石蠟等材料，通過(guò)電加熱等方式對(duì)材料進(jìn)行加熱，加熱至一定程度后，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，在噴頭的作用下將熔融后的材料涂抹在工作臺(tái)表層，放置一段時(shí)間令其自然冷卻，形成工件的截面；其次是調(diào)整噴頭高度，進(jìn)行下一層的涂抹；最終形成三維工件。該項(xiàng)打印技術(shù)使用的材料能夠進(jìn)行回收利用，對(duì)環(huán)境造成的污染小。

分層實(shí)體制造法（LOM技術(shù)）。首先是結(jié)合計(jì)算機(jī)整理出工件橫截面的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用激光切割出內(nèi)外輪廓；其次是在切割完成后，送料設(shè)備會(huì)添加第二層的紙，這時(shí)會(huì)使用熱粘設(shè)備，將切割完之后的層粘合起來(lái)，進(jìn)行第二次的切割，以此類推，最終形成三維工件。LOM技術(shù)使用的材料多為塑料膜或者紙，因此，制作模型的支撐性能較好，使用成本較低，工作效率比較高。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用實(shí)況

一般3D打印技術(shù)是通過(guò)數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)代化科技水平的不斷提升，3D打印技術(shù)已經(jīng)逐漸涉及多個(gè)領(lǐng)域。

2.1 模具制造

模具制造是較為傳統(tǒng)的制造行業(yè)，例如我國(guó)的玩具制造，以前生產(chǎn)模具需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，并需要很多費(fèi)用?，F(xiàn)在模具在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用了3D打印技術(shù)，不僅縮短了模具的開(kāi)發(fā)時(shí)間，還提升了生產(chǎn)效率，給玩具制造企業(yè)帶來(lái)了更多的經(jīng)濟(jì)收益。3D打印技術(shù)應(yīng)用在模具制造中分為直接制模與間接制模，前者是利用3D打印技術(shù)，通過(guò)堆積制造生成模具，后者是先使用快速成型零件，在對(duì)零件進(jìn)行不斷的復(fù)制，最終生成想要的模具[2]。

2.2 醫(yī)學(xué)

醫(yī)學(xué)工作者應(yīng)用3D打印技術(shù)，并結(jié)合影像數(shù)據(jù)，對(duì)人體器官或者是骨骼進(jìn)行模擬制造，使3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)外科手術(shù)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。由于外在因素的影響，有很多人需要裝配假肢，才能滿足自己日常生活的需要，但是人的身體結(jié)構(gòu)存在個(gè)體差異，在制造假肢時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行制造。例如，在美國(guó)的一家診所內(nèi)，醫(yī)生就是利用3D打印技術(shù)，為病人制造出了一個(gè)髖關(guān)節(jié)，并成功植入病人體內(nèi)。這在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及制造領(lǐng)域都是一項(xiàng)新的突破。

2.3 教育

3D打印技術(shù)除了能夠制造出各類實(shí)用模型以及人體組織，同樣也能滲透到教育領(lǐng)域。例如，教師在課堂上培養(yǎng)學(xué)生思維能力的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)物進(jìn)行想象，想象能力不好的學(xué)生，就會(huì)在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到困難，難以真正學(xué)會(huì)教學(xué)內(nèi)容，這時(shí)教師可以利用3D打印技術(shù)，將學(xué)生的想象轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)，不僅能加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，還能提升課堂的教學(xué)效果。這也是推動(dòng)我國(guó)教育水平發(fā)展的重要推動(dòng)力。

2.4 航空航天

3D打印技術(shù)能夠給無(wú)人飛行器添加多類構(gòu)件，對(duì)特殊的組裝工具進(jìn)行加工制造。例如，美國(guó)一位大學(xué)生就是利用3D打印技術(shù)，成功制造出飛機(jī)模型，并在多次試驗(yàn)后試飛成功，他所設(shè)計(jì)的機(jī)翼約有2米，使用的零件全是利用3D打印技術(shù)制造的，發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)任何破損狀況，都可直接利用3D打印技術(shù)進(jìn)行再次制造，予以及時(shí)的更替。2014年，我國(guó)利用3D打印技術(shù)，成功打印出了衛(wèi)星設(shè)備使用的觀雪鏡片支架、飛機(jī)使用的葉輪等。

3 3D打印技術(shù)的發(fā)展實(shí)況

我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展已有20多年，與世界上其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，晚10余年的發(fā)展時(shí)間。現(xiàn)階段我國(guó)的3D打印技術(shù)已與其他發(fā)達(dá)國(guó)家的3D打印技術(shù)水平同步。

1994年，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)3D打印技術(shù)，到1995年，北京一家公司成功研發(fā)出激光快速成型設(shè)備；后來(lái)華中科技大學(xué)的一名教授，帶領(lǐng)自己的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，成功研發(fā)出了世界上最大的成型快速制造設(shè)備，也就是1.2m×1.2m的立體打印機(jī)；2012年，湖南一家科技公司研發(fā)出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光3D打印設(shè)備并出口美國(guó)；2014年，3D打印技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在京東網(wǎng)站已有3D打印設(shè)備開(kāi)始發(fā)行銷售。

雖然我國(guó)的3D打印技術(shù)已經(jīng)能與發(fā)達(dá)國(guó)家的3D打印技術(shù)同步，但是制造產(chǎn)業(yè)仍處于開(kāi)始階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家存在的差距，主要是還沒(méi)有建立一套較為完整的發(fā)展產(chǎn)業(yè)體系，核心技術(shù)也需要加大開(kāi)發(fā)力度，政府也需要加大資金、政策的扶持力度。

為了使3D打印技術(shù)能夠得到更好的開(kāi)發(fā)利用，2015年，我國(guó)政府研究后制定了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，緊抓產(chǎn)業(yè)以及科技變革機(jī)遇，推進(jìn)我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，要求將增材制造產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要任務(wù)。在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要中，對(duì)3D打印有了明確要求，由此我們可以看出政府對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用以及發(fā)展的重視[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，3D打印技術(shù)是最新型的前沿技術(shù)，也是各行各業(yè)快速發(fā)展的主要推動(dòng)力，為此，我國(guó)政府加強(qiáng)了對(duì)3D打印技術(shù)的重視。從3D打印技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看，雖然3D打印技術(shù)受到了人們的喜愛(ài)與廣泛關(guān)注，有著較為廣闊的發(fā)展前景，但是3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀仍處于未成熟階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然存在較大差距。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用以及發(fā)展的研究，對(duì)其進(jìn)行不斷創(chuàng)新研發(fā)，促進(jìn)我國(guó)各行各業(yè)得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李小麗，馬劍雄，李萍，陳琪，周偉民.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2014（01）：1-5.

[2]李昕.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2014（04）：36-41.

[3]張希平，蘇健強(qiáng)，高健.3D打印技術(shù)及我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（06）：17-21.