3D打印技术的应用

孙晓林

（辽宁建筑职业学院，辽宁 辽阳 111000）

0 引言

1986年，3D打印技术诞生，但直到20 世纪90年代才被关注，应用也主要局限在工程、建筑业和制造业、航空航天模型设计等领域，那时叫 “快速成型”技术。直到2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee 问世，3D打印引起了广泛关注。

从上世纪90年代开始，随着3D打印技术的发展和激光技术的进步，研究人员不满足于3D打印只用于原型制造，也不再局限于生产工业模具，而是向更广阔的领域拓展。比如，打印立体人像、教具、打印假牙和骨关节替代品等。开始尝试用3D打印技术将金属材料直接制造成零件，即金属结构件直接制造。

1 3D打印概念

“3D打印”是通俗名称，其学术名称为快速成型（Rapid prototyping）技术，也称为增材制造技术，是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，由CAD（计算机辅助设计）生成零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。

2 3D打印原理

“3D打印”层层印刷的原理和喷墨打印机类似，打印机内装有液体或粉末等 “打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制采用分层加工，叠加成型方式来 “造型”，会将设计产品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印是一种直接数字化制造技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。

每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被 “打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 “刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。加工过程仅需确定所需塑料、树脂、金属等物料，材料耗费仅相当于传统制造的十分之一，而误差可轻易控制到0.1mm 之内。它无需生产线，亦可制造那些常规方法无法生产的奇形怪状的零件。

图1 3D打印原理Fig.1 3D print principle

打印耗材胶水和粉末（金属或塑料等可黏合材料）都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及 “打印”分辨率都有直接影响。3D打印技术能够实现600dpi 分辨率，每层厚度只有0.01mm，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。受到喷打印原理的限制，打印速度势必不会很快，较先进的产品可以实现每小时25mm 高度的垂直速率，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。

3 3D打印过程

图2 3D打印产品Fig.2 3D print products

设计师使用电脑软件设计出数字化3D模型，就像给模型做CT 扫描一样，由另外一个软件程序将数字化3D模型水平切片，通过网络参数传送，向3D打印机输出指令，打印机的 “喷头”可以前后上下左右六个方向移动，以满足不同位置的打印需求，使特定金属粉或可塑性高的材料熔化，逐层叠加 “铸造”，最终把电子模型图变成实物。比如顾客要打印一个真人3D模型：

手持3D扫描仪，围绕顾客360 度旋转扫描后，照相者的立体数据就出现在电脑屏幕上，扫描过程大概有十几分钟。经过软件处理的三维模型，点击打印，材料通过喷头被逐层喷出挤压堆积成型，3D打印机根据电脑中的模型来打印出最终成品，需要三四个小时。

4 3D打印材料

在3D打印领域，材料是技术的核心之一，可以使用很多种材料，如陶瓷、钢化玻璃、石膏、无机粉料、ABS 塑料、PLA（聚乳酸）、尼龙、玻璃填充聚胺、光固化材料、银、钛、钢、蜡、干膜和聚碳酸脂等。目前打印出来的材料以ABS（热塑料）和树脂为主，材质在机器内“熔化”，通过不同比例的材料混合，可以产生出将近120 种软硬不同的新材料。

目前，3D打印的耗材还只限于光敏树脂、塑料等。比如模具制造中，最重要的金属模具制造，由于受限于打印耗材，一直无法进行产业化。

5 3D打印特点

（1）优点：一是最直接的好处就是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品，因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。

（2）缺点：任何一个产品都应该具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。①强度问题：房子、车子固然能 “打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在路上顺利跑起来？ ②精度问题：由于分层制造存在“台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的一级级 “台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差；③材料的局限性：目前供3D打印机使用的材料非常有限，无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。能够应用于3D打印的材料还非常单一，以塑料为主，并且打印机对单一材料也非常挑剔。

6 3D打印应用

（1）机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。

（2）医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。

（3）建筑行业：工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

（4）汽车制造行业：用3D打印技术为汽车公司制造自动变速箱的壳体。汽车公司会对变速箱进行各种极端状况下的测试，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再开模具，然后按照传统制造方法批量生产，这样成本就会大大降低。

此外，3D打印技术还将影响诸多行业，如汽车、商业和工业设备、教育、建筑及消费品等行业，还包括娱乐业的游戏和电影业，艺术家还可使用3D打印机将他们的作品即时打印成型。

7 结束语

3D打印技术代表制造业发展新趋势，它和其他一些数字化生产模式的涌现，将推动实现第三次工业革命。随着生产速度和质量的不断提升以及打印装置和材料价格的下降，越来越多的工业部件将被打印出来，而不是被冲压或烧铸出来。

[1]王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].机械工业出版社，2013.

[2]陈雪芳，孙春华.逆向工程与快速成型技术应用[M].机械工业出版社,2009.