3D打印技术的现实与未来

3D打印技术的现实与未来

李心果

（南京师范大学江苏省南京市210046）

摘要：3D打印技术既不需要通过相应的模具加工，也不需要通过机械进行加工，是一种新兴的加工制造技术。随着科技的不断发展，世界各国都开始高度重视3D打印技术的发展。本文主要对国内外3D打印技术的发展现状进行了详细的阐述，对国内外的3D打印技术的未来发展前景进行了论述分析，并对其在我国的发展趋势作了预测。

关键词：3D打印技术；应用；前景

一、3D打印及其技术原理

3D打印机早期被称为快速成型机，于1985年左右问世后，突破了传统打印技术，实现了打印技术的历史性变革。传统打印多是通过静电实现且只能打印平面，3D打印则通过逐层打印的方式来构造物体，使用实实在在的原料，比如塑料，金属，陶泥，甚至是巧克力粉等，一层一层的堆叠上去。在与计算机连接以后，通过各种软件辅以个人审美和技术，以及精确的计算测量、组装，来构建打印模型，将打印模型拷贝到3D打印机的磁卡中去，即可进行3D打印。国内外最常使用的3D打印技术，主要包括FDM技术、SLA技术、SLS技术和3DP技术，不同技术在打印材质、工艺实现方面存在显著差异。

（一）熔融沉积成形技术（FDM）

熔融沉积成形技术主要用于高分子材料(ABS、PLA等)的打印，其可以利用材料的热熔性、热塑性与粘结性特征，一层层进行打印模型的堆积成形。例如：在塑胶制品的3D打印过程中，3D打印机可以将塑胶加热至熔融，然后对其进行不同结构的挤出操作，挤出后的塑胶会快速冷却凝结，这样一层层来完成各层高的打印操作。FDM技术优点为材料多样、强度高与成本低，但其在产品制造精度方面达不到要求，不能用于复杂结构产品的制作。

（二）选择性激光烧结技术（SLS）

选择性激光烧结技术主要利用激光高温的照射，进行塑料、高分子材料、金属、陶瓷等粉末的烧结，逐层完成3D物体的粉末堆积与烧结成型。首先需要使用铺粉滚轴，在3D打印机内部铺设一层粉末材料，然后运用计算机进行激光束温度的控制，以保证打印设备中的温度升至粉末熔化点，最后对其进行层层的循环堆积与烧结，直至打印出具有完整结构的三维物体。选择性激光烧结技术是工艺最复杂的3D打印技术之一，其能够对多种单一材料、复合材料进行打印，且生产的产品具有强度高、力学性能好等特征。

二、3D打印技术的优势与不足

相对于传统制造业，3D打印技术具有许多独特的优势。一是制造范围广。理论上只要是计算机可以设计出来的模型，3D打印机都可以制造，即任何结构、任何材料和任何几何形状均可以制造。二是个性化程度高。依据个人或公司的不同加工要求完成制造，满足个性化、多样性的要求，制造更灵活。三是成本低。首先，在加工方式上，3D打印技术采用增材加工方式，相对于传统机床的减材加工，可以避免对原材料的浪费，降低了制造成本;其次，与传统制造相比，使用3D打印技术制造形状复杂物品不会增加成本。此外，该技术可以实现就地生产制造，无需仓储，运行成本低。四是周期短，速度快。去除了传统制造工艺中工装夹具的设计制造、毛坯的准备、零件加工装配等工序，尤其是对复杂造型的加工，其技术优势更加突出。此外，3D打印可以实现零部件一体化成形，节省了组装时间，效率更高。五是材料的多样性。3D打印机可以实现不同材料的打印，满足不同领域的需要，如金属、高分子材料、陶瓷、石膏、淀粉及各种复合材料都可以应用于3D打印。六是精确的实体复制。3D打印基于同一模型上进行制造，同时也可结合扫描技术，精确复制实体。七是零交付时间。3D打印机可以实现按需打印，能快速响应和满足生产计划的变更需求，企业生产更加灵活自由。若选择就地生产，还可节省产品的物流运输时间和成本。

未来的3D打印技术的打印精度将会更加精确，控制系统将会越来越智能，使用起来也将会更加方便快捷，要想使3D打印技术更加成熟，除了不断增加对技术的创新和应用，还应在以下几方面进行改善。一是加快打印耗材开发。最常用的3D打印耗材主要有ABS（卷材）、PLA（卷材）、光敏树脂（液体）等，但是我国研制的打印耗材主要是以化学聚合物为主，对于一些液态或粉末状耗材的研发则比较落后，我国应该加快对新的打印耗材的开发，着重对金属粉末的研制进行研究，弥补我国在3D打印耗材技术上的不足。二是提高3D打印的精度。结合远程送丝和近程送丝两种送丝方式，提取它们各自的优点，研发出一种新型的3D打印机，进而减少打印过程中打印头的震动，同时提高打印时送丝连续性，提高打印精度。三是实现多材料、多喷头打印。结合不同材料的成型工艺，改进喷头加热器控制温度的精度以及范围，再结合单喷头和多喷头打印机的优势，从而研制出一台能够同时完成多种材料加工并能够实现多喷头打印的3D打印机。四是提高3D打印的应用价值。结合3D扫描仪或反求工程技术，再与医学、材料科学、铸造等学科进行交叉，进而能够打印医学方面所需的医学模型和失蜡铸造中所需复杂结构的蜡型芯，进一步探索3D打印的应用价值。五是实现3D打印的科学技术化。在3D打印过程中，结合计算机网络，改进3D打印中数据传输和处理的方式，同时在3D打印机操作和控制方面增加WiFi模块，实现远程控制。

三、3D打印技术的发展前景

3D打印技术经过30多年的改进发展，已广泛应用的各个邻域。当今美欧等西方发达国家都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对快速成形技术投入了大量的资金和研究，促使3D打印技术快速发展。2014年美国总统奥巴马在国情咨文中提到了3D打印技术的重要性。在国防领域，这些美欧发达国家也非常重视3D打印技术的应用，并投入巨资研究制造增材材料，如金属零部件等。目前国内3D打印技术在某些领域已经走在全球前列，而且从“普通民众”到“国家领导人”对这项技术给予了极大的热情和高度的关注。随着2015年《中国制造2025》规划的实施与颁布，为3D打印技术在我国的深化发展和普及应用提供了一个非常好的平台。

（一）在制造业的应用

当前3D打印技术应用最广泛的行业为制造业，大到3D打印汽车、打印机器人和打印皮划艇，小到3D打印手机壳、打印音乐播放器和打印戒指等，都可以通过3D打印层叠与堆积技术进行实现。2013年，上海3D打印供应商Polymaker和加拿大打印公司Stratasys，纷纷表示已经生产出量产的3D打印汽车，这标志着传统制造业进入新的发展时代。之后瑞典工程师JimSmith也利用3D打印技术，制造出世界首艘3D打印皮划艇，并且成功下水。而在2014年，美国康奈尔大学创意机器人实验室HodLipson，也打印出机器人的微处理器、电池、连接装置等零部件，而且能完全装配好一个轻量型机器人。由此可见，3D打印技术已经在制造业、日常生活中得到广泛应用，个人消费级别的3D打印产品将会在未来流行。

（二）在教育行业的应用

3D打印技术引领教育开启新的培养方向，目前许多教育组织和机构就如何将3D技术应用到教学、教育中进行探索。在高等职业教育中，逐步在印刷技术、印刷图文信息处理、数码印刷以及计算机等相关专业中引入3D打印技术。目前已有不少企业与高等院校和中小学“牵手”，通过共建实验室或举办各类活动的方式推广3D打印技术、强化后备人才的教育，让3D打印技术助力“中国智造”。

从3D打印技术面世到现在，技术的革新升级不断深化。随着CAD/CAM技术的突破，计算机互联网产业的飞速发展，3D打印将会对生产生活产生更深远的影响。3D打印的发展既是机遇又是挑战，应当看到仅有技术层面的发展远远不够，应在转变产业模式、推进技术创新等方面做足工作，才能让3D打印技术更好地为制造业创新转型提供新的发展动力。

参考文献

[1]童宇阳.3D打印技术在中小学教学中的应用研究[J].现代教育技术,2013(12).

[2]商明慧，于帆帆.3D打印技术的应用与发展探究[J].价值工程，2016(7).

[3]刘厚才，莫健华，刘海涛．三维打印快速成形技术及其应用［J］．机械科学与技术，2008(9):1185－1189．