3D打印制造技術(shù)的應用

王志永　鄭媛媛

摘 要：當今時代，3D打印產(chǎn)品已經(jīng)逐漸趨于潮流，未來在不同的產(chǎn)業(yè)當中都將存在3D打印技術(shù)。3D技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中使用，比如：交通、醫(yī)療、軍事、教育、航空航天和醫(yī)療行業(yè)。用途包括建立概念模型，功能原型，工廠工具（如模具），甚至制造成品（如飛機內(nèi)部組件），本文主要簡要描述3D打印在制造業(yè)中的應用。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；普通消費；工業(yè)生產(chǎn)；生物工程

3D打印技術(shù)在原理上并不復雜。其工作原理是將計算機設(shè)計出的三維模型分解為若干平面切片，然后把打印的材料按切片圖形逐層增加，最終堆積為完整的物體。與傳統(tǒng)制造業(yè)在材料上做減法不同，它奉行的是加法守則。要打印一個東西，首先要有一張3D立體圖，配套的軟件會把這張圖上的物體進行一系列數(shù)字切片，并將切片信息傳送到打印機，打印噴頭立刻啟動，根據(jù)切片信息，一層層極薄地堆疊出立體物件，所以它也被稱為“添加式制造”。目前最常見也是最便宜的3D打印機，使用的材料是熱塑性塑料條。這種被稱為熔融擠出成型（FDM）的打印方式，是通過一個微孔擠壓出因為加熱而熔化的塑料，然后將塑料層層重疊，建造托盤上將它塑造成型。更高端的3D打印機是通過使用激光在材質(zhì)盆中硬化液態(tài)樹脂，這種打印機被稱為立體光刻（SLA），或者層層硬化粉末狀塑料、金屬、陶瓷材質(zhì)，也就是所謂的激光燒結(jié)（SLS）。本文主要詳細講述3D打印制造技術(shù)在現(xiàn)在社會的主要應用，就目前來說，3D打印制造技術(shù)主要應用在3個方面：普通消費、工業(yè)生產(chǎn)、生物工程。

普通消費。3D打印技術(shù)的發(fā)展使得普通消費者在自己設(shè)計東西方面有了很大的進展，消費者可以自己參與產(chǎn)品的設(shè)計，不再是單方面由設(shè)計者自己設(shè)計，同時這也激發(fā)了廣大人群對于設(shè)計產(chǎn)品的積極性。消費者可以在工業(yè)、工藝、珠寶、玩具、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域進行設(shè)計，當所設(shè)計的產(chǎn)品損壞時，可以通過自己原始設(shè)計圖，到當?shù)?D打印社進行打印，不需要再跑很遠的地方進行專門制作，這樣既保證了每個人所使用東西的多樣性與獨特性，也大大節(jié)約了消費者購買所花費的時間。

工業(yè)生產(chǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)方面，它主要分為兩個部分，一是原型制造，主要用于模具、模型等行業(yè)。二是產(chǎn)品制造，包括大型金屬結(jié)構(gòu)件和小型金屬零部件的直接制造。

目前3D打印技術(shù)在模具領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、產(chǎn)值增長最明顯的應屬快速模具?？焖倌＞呒夹g(shù)能夠解決大量傳統(tǒng)加工方法難以解決甚至不能解決的問題，可以獲得一般切削加工不能獲得的復雜形狀，可以根據(jù)CAD模型無需切削加工直接將型腔曲面制造出來。傳統(tǒng)的機械加工方法制作母具，存在周期長、廢品率高、成本高的缺點，然而產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，小批量、多品種、個性化是許多產(chǎn)品的特性，傳統(tǒng)鑄造模具方法已經(jīng)很難適應這種對產(chǎn)品的特殊需求，而3D打印可以實現(xiàn)模具的快速制造，減少模具成本和時間，很好的解決了復雜母具的制造問題。

查閱資料可以了解到：傳統(tǒng)的金屬制造，如砂型鑄造（與其他傳統(tǒng)鑄造相似）會有鑄造缺陷：冷卻不均勻；澆鑄過程中會夾雜空氣形成氣孔形成缺陷；在結(jié)構(gòu)上，部分金屬液體很難快速填充到的地方會有成型缺陷。而3D打印金屬的性能在某些領(lǐng)域已經(jīng)接近甚至超越傳統(tǒng)的常規(guī)加工。從材料角度講，傳統(tǒng)常規(guī)工藝采用原始的液體、固體、粉末等材料，材料本身無特殊處理；而3D打印使用的金屬粉末材料，是經(jīng)過特殊處理的，加入了更多成分元素，已經(jīng)具有了屈伸強度、拉伸強度、延伸率、楊氏模量、硬度、斷裂拉伸界點、熱膨脹系數(shù)、彈性模數(shù)、熔度范圍、耐腐蝕性、粘合強度等幾十項指標。而此類材料的性能是經(jīng)過研究、測試、引用，已經(jīng)證明是符合結(jié)構(gòu)件的需求。另外，3D打印設(shè)備工藝的性能改進優(yōu)化，對金屬打印的精度、致密度也有極大提升。

生物工程。其實，筆者最感興趣的還是3D打印技術(shù)在生物工程方面的應用。3D打印技術(shù)由于操作便捷、模型結(jié)構(gòu)精確等特點，目前已在骨科領(lǐng)域廣泛應用，且3D打印技術(shù)的臨床效益顯著。術(shù)前在實物模型上模擬手術(shù)操作，能及時發(fā)現(xiàn)手術(shù)設(shè)計上的缺陷與不足，以便作出調(diào)整，提高手術(shù)的安全性，術(shù)前在模型上選擇最佳的進釘點、螺釘?shù)拈L度及直徑，減少術(shù)中出血量及手術(shù)時間。通過實物模型可以更好地與患者及家屬溝通，解釋和交流病情。此外，通過3D打印制藥生產(chǎn)出來的藥片內(nèi)部具有豐富的孔洞，具有極高的內(nèi)表面積，故能在短時間內(nèi)迅速被少量的水融化。這樣的特性給某些具有吞咽性障礙的患者帶來了福音。而至于3D打印生物器官方面，也是未來一大趨勢，但是在醫(yī)療領(lǐng)域里，3D打印目前最重要的角色是生產(chǎn)醫(yī)療器械原型機。

總的來說，打印器官還是屬于前沿技術(shù)，短時期內(nèi)得到廣泛應用并不現(xiàn)實。3D打印最能得到用武之地的地方還是在制造其他器械上。

未來3D打印會極大地改變我們的生活。而這種改變實際已發(fā)生多時，從電腦的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃繁榮都是這場革命的一部分，正如Chris Anderson在《創(chuàng)客：新工業(yè)革命》中這樣的一段描述：“制造業(yè)本身正處于向數(shù)字化轉(zhuǎn)變的過程中：實體物品已經(jīng)成為屏幕上的種種設(shè)計，而這些設(shè)計可以文件的形式在線共享。過去幾十年間，工廠和工業(yè)設(shè)計工作室經(jīng)歷了這樣的轉(zhuǎn)變；時至今日，這樣的轉(zhuǎn)變終于發(fā)生在客戶的電腦上和地下室里。從零售業(yè)到出版業(yè)，一旦一個行業(yè)轉(zhuǎn)向數(shù)字化，就將經(jīng)歷深遠的變革。最大的變化不是制造過程本身，而是誰在做。只要可以在電腦上完成，也就意味著人人可以參與，這正是制造業(yè)正在經(jīng)歷的改變?！彼?，3D打印技術(shù)正將積極影響我們的發(fā)展，我們也更應該積極應對3D打印技術(shù)。

參考文獻

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