代 鈺

(西南大學(xué) 重慶 400000)

3D打印的現(xiàn)狀及發(fā)展

代 鈺

(西南大學(xué) 重慶 400000)

3D打印，又稱增材制造，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)，是一種綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、激光、信息、材料與化學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印發(fā)展的瓶頸。本文在3D打印的設(shè)備、技術(shù)、材料、應(yīng)用等方向分別做了介紹，并對(duì)3D打印的現(xiàn)狀做了分析，也對(duì)其前景做了預(yù)測(cè)。

3D打??；應(yīng)用；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，在最近迅猛發(fā)展，有著巨大的潛力，是當(dāng)今極其熱門(mén)的新興技術(shù)之一。與3D印刷技術(shù)有著很大的不同，3D打印機(jī)按照CAD模型講塑料、金屬粉末或陶瓷粉末以及工程塑料材料甚至是蛋白質(zhì)粉末等可黏合材料通過(guò)不同的噴頭，逐層堆積在工作臺(tái)上最終完成目標(biāo)零件。與傳統(tǒng)減材制造工藝不同，3D打印是一種通過(guò)不斷增加材料直至工作完成的自由成型技術(shù)，在克服傳統(tǒng)制造業(yè)難加工或無(wú)法加工的短板同時(shí)，更大幅度減少了整個(gè)加工過(guò)程中原料的浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展后，如今的3D打印技術(shù)不僅價(jià)格更低，精度和可靠性也更高。

一、3D打印技術(shù)的設(shè)備

3D打印的設(shè)備3D打印機(jī)是3D打印的核心設(shè)備，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成，是集機(jī)械、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的核心靈感來(lái)源于笛卡爾機(jī)械坐標(biāo)系，可以沿著右手螺旋坐標(biāo)系三個(gè)方向移動(dòng)。目前也出現(xiàn)了一些基于極坐標(biāo)系的打印機(jī)，不過(guò)還是占少數(shù)。計(jì)算機(jī)軟件是設(shè)計(jì)人員用于設(shè)計(jì)三維數(shù)字模型，并根據(jù)需要進(jìn)行分層處理和加支撐，轉(zhuǎn)化為可以用于打印的文件。控制軟件是根據(jù)設(shè)計(jì)出的三維數(shù)字打印文件，自動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)層層打印，最后堆積成產(chǎn)品。

3D打印設(shè)備的制造廠商主要集中在美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞典等國(guó)家，其中美國(guó)的stratasys和3D systems兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。目前國(guó)內(nèi)從事3D打印設(shè)備的公司多為代理，真正自主研發(fā)的公司并不多。主要從事工業(yè)級(jí)打印設(shè)備制造的公司有湖南華曙高科技有限責(zé)任公司以及陜西恒通智能機(jī)器有限公司等。

二、3D打印在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

1.制造業(yè)。制造業(yè)很多需要3D打印產(chǎn)品，因?yàn)?D打印無(wú)論是在成本、速度和精確度上都要比傳統(tǒng)制造好很多。而3D打印技術(shù)本身非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，所以制造業(yè)利用3D技術(shù)能帶來(lái)很多好處，甚至連質(zhì)量控制都不再是個(gè)問(wèn)題。“空氣單車”是位于英國(guó)布里斯托爾的歐洲航空防務(wù)和航天公司采用3D打印機(jī)，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造出的世界上第一輛打印自行車。

2.航天和國(guó)防。GE中國(guó)研發(fā)中心的工程師們?nèi)栽诼耦^研究3D打印技術(shù)。就在這之前，他們剛剛用3D打印機(jī)成功“打印”出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件。與傳統(tǒng)制造相比，這一技術(shù)將使該零件成本縮減30%、制造周期縮短40%。來(lái)不及慶祝這一喜人成果，他們就又匆匆踏上了新的征程。鮮為人知的是，他們已經(jīng)“秘密”研發(fā)3D打印技術(shù)十年之久了。

3.醫(yī)療行業(yè)。如果有人出了交通事故，需要更換人造骨骼，從前只有幾種型號(hào)的可供選擇，可以使用但并不是完美契合，但是通過(guò)獲取患者的圖像數(shù)據(jù)，用3D打印機(jī)可以直接打印出百分百符合的人造骨骼。一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機(jī)“打印”出來(lái)的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產(chǎn)品做人體骨骼的案例?？茖W(xué)家現(xiàn)在正在嘗試?yán)?D打印技術(shù)直接打印活體組織和新器官，如果變成現(xiàn)實(shí)，人類講擺脫疾病。

4.文物保護(hù)。博物館里常常會(huì)用很多復(fù)雜的替代品來(lái)保護(hù)原始作品不受環(huán)境或意外事件的傷害，同時(shí)賦值品也能將藝術(shù)或文物的影響傳遞給更多更遠(yuǎn)的人。史密斯尼博物館就因?yàn)樵嫉耐旭R斯·杰斐遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個(gè)巨大的3D打印替代品放在了原來(lái)雕塑的位置。

5.食品產(chǎn)業(yè)。使用“3D食物打印機(jī)”制作食物，可以大幅地縮減從原材料到成品的環(huán)節(jié)，從而避免食物加工、運(yùn)輸、包裝等環(huán)節(jié)中的污染與保存等不利影響。由于烹飪的原料和配料必須放置在打印機(jī)的容器內(nèi)，因此食物原料必須是液體或其他可以“打印”的狀態(tài)。隨著食品3D打印的快速發(fā)展，各種各樣的食品3D打印機(jī)將逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)。未來(lái)蛋糕店的蛋糕將不是由糕點(diǎn)師手工制作，而是由3D打印機(jī)打印出來(lái)的，這在勞動(dòng)力成本越來(lái)越高的今天將極具吸引力。

三、3D打印的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)自上世紀(jì)90年代初傳入我國(guó)起，一直深受國(guó)內(nèi)廣大科研工作者的高度重視。從3D打印設(shè)備到打印材料研發(fā)，以及3D打印與傳統(tǒng)成形相結(jié)合的復(fù)合成形技術(shù)，國(guó)內(nèi)都有深入的研究。如今，3D打印的節(jié)材、節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)高度契合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，國(guó)內(nèi)近期持續(xù)掀起3D打印熱，許多企業(yè)，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產(chǎn)業(yè)中。3D打印技術(shù)自上世紀(jì)90年代初傳入我國(guó)起，一直深受國(guó)內(nèi)廣大科研工作者的高度重視。從3D打印設(shè)備到打印材料研發(fā)，以及3D打印與傳統(tǒng)成形相結(jié)合的復(fù)合成形技術(shù)，國(guó)內(nèi)都有深入的研究。如今，3D打印的節(jié)材、節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)高度契合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，國(guó)內(nèi)近期持續(xù)掀起3D打印熱，許多企業(yè)，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產(chǎn)業(yè)中。

四、3D打印的前景

根據(jù)國(guó)際快速制造行業(yè)權(quán)威報(bào)告《Wholes Report 2011》發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D行業(yè)打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年期間保持著26.2%的年增長(zhǎng)速率。報(bào)告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來(lái)將持續(xù)較快地增長(zhǎng)，到2016年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元，2020年將達(dá)到52億美元。但3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)運(yùn)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn):一是成本方面，現(xiàn)在3D打印機(jī)造價(jià)仍普遍較為昂貴，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了一定困難;二是概念方面，現(xiàn)在3D打印技術(shù)的概念普及范圍還不是很廣，國(guó)內(nèi)外各個(gè)高校也還沒(méi)有開(kāi)設(shè)相應(yīng)課程介紹、學(xué)習(xí)這門(mén)新興技術(shù);三是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，材料選擇的局限性較大，成型品的物理特性也不理想，并且安全方面也存在一定的隱患。隨著智能制造，控制技術(shù)，材料技術(shù)，信息技術(shù)等不斷發(fā)展和提升，這些技術(shù)也被廣泛地綜合應(yīng)用與制造工業(yè)，3D打印技術(shù)也將會(huì)被推向一個(gè)更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)。

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代鈺(1997-)男，漢族，山西大同，本科，西南大學(xué)。