3D打印技术的应用与发展

3D打印技术的应用与发展

孙亮1，石鑫2,3

(1.池州职业技术学院，池州247100；2.中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司，

南昌330001；3.沈阳航空航天大学CAD/CAM研究中心，沈阳110136)

摘要：3D打印技术是一种新型的制造加工技术，越来越受到机械加工领域工作者的重视.3D打印技术体系中比较流行的3D打印技术工艺包括FDM、LOM、SLA、SLS等，.3D打印技术除应用于设计模型、功能制造模型、实验分析模型外，还可广泛应用于航空、医疗、建筑、艺术行业.目前3D打印所面临缺乏技术创新、成本增加、价格昂贵等挑战与机遇.3D打印技术将对机械制造行业产生深刻变革，从根本上实现传统制造向智能绿色制造的转变.

关键词：3D打印；技术工艺；应用

中图分类号：TP202文献标志码：A

收稿日期：2015-03-12

基金项目：安徽省高校自然科研项目(KJ2013B179)

作者简介：孙亮(1983-)，男，四川达州人，讲师，研究方向：机械制造与自动化.

Application of 3D Printing Technology

SUN Liang1, SHI Xin2,3

(1.Chizhou Vocational Technical Institute, Chizhou 247100, China;2.AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.,

Ltd, Nanchang 330001, China;3.CAD/CAM Center, Shenyang Aerospace University, Shenyang110136, China)

Abstract:Three-dimensional printing technology is a new kind of manufacturing technology, which gets more and more attention in machining field. First 3D printing concept is shared briefly, followed by technological system which covers the current relatively popular 3D printing technology process (such as FDM, LOM, SLA, SLS). And the advantages and disadvantages of each process are given. The present application situation of 3D printing technology is analyzed, and the current 3D printing technology challenge and opportunity are discussed in the paper, in which it also deeply points out that the 3D printing will have a profound change in manufacturing industry, fundamentally to realize the change of traditional manufacturing to smart green manufacturing.

Key words:three-dimensional printing; technical craft; application

0引言

近些年来，随着全球经济一体化的形成，世界制造业的竞争日益激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾.特别地，自2008年国际金融危机给世界经济造成重创以来，以美国、欧盟国家为中心的西方发达国家一直在积极谋求经济复苏、摆脱经济危机的新出路.这些发达国家谋求技术创新，积极调整经济发展战略，以期实现再工业化，重新领导世界经济潮流[1].以3D打印为代表的新技术就是在这样的时代背景下产生发展起来的.

3D打印技术被认为是最20年来世界制造技术领域的一次重大突破，它是产品快速开发和柔性制造技术的结合体[2].3D打印技术，也称”三维打印”，是快速成型技术(RP)的一种，它是以离散堆积原理为基础和特征，采用粉末材料(如陶瓷粉末、金属粉末)成型，通过喷头用粘结剂将零件截面逐层打印在材料粉末上面，最终堆积材料形成所要打印的3D实体.由于工艺过程无需专用工具，工艺规划简单，制造速度快于传统方法，符合社会快速制造的发展要求，能够满足客户日益变化的需求，因此备受关注与推崇.

3D打印技术拥有良好的发展前景和应用价值，带来的经济效益潜存量十分丰富.世界各国3D打印在市场中所占的比重(见图1).

图1　世界各国3D打印比重

据国家工信部13年产值估算，截止2015年，世界3D打印总产值为30亿刀，到2020年将会达到50亿刀的产值规模.随着CAD技术、材料技术和计算机技术等新型技术的不断更新换代，加上世界各领域工作者在3D打印技术方面的深入研发，将最新技术成果推广应用到制造领域，3D打印技术必会将制造业推向更高的层面.

13D打印技术概述

1.13D打印概念

3D打印(3DP,Three Dimension Printing)，也称为增材制造，该工艺是由美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制，它是以三维数字模型为基础，采用陶瓷粉末和金属粉末作为粘合材料，通过逐层打印、层层堆积的方式打印三维实物的技术过程[3].3D打印技术最先使用于制造锻造用的模具模型，经过近些年的快速发展，3D打印技术正逐步推广应用到航空、化工、医疗等各个领域之中，各领域各行业所占的3D打印比重也逐渐增大(见图2).3D打印所使用的原材料种类也日益增多，如利用特制的塑性沙粒打印建筑模型；利用生物细胞打印人体器官、髋关节或牙齿；利用金属粉末打印精巧的机械器件(如汽车窗架)等.

图2　各领域行业3D打印比重

1.2技术特点

3D打印是一种与传统材料加工截然相反的制造生产模式，它基于离散/堆积成型原理，制造加工的数据完全来源于计算机的CAD零件实体文件中的三维数据，这些数据不论是直接设计生成还是通过扫描、映射等方式生成，最终获得的数据都将加载到3D打印机里，并驱动打印设备工作，生产加工出所需要的打印实体.由此可见，3D打印技术具有如下特点[4]：

(1)数字化制造.数字化制造是指由CAD模型直接驱动，通过CAD等相关软件将需要打印的实体零件数字化，驱动打印设备进行实际工作，获得所需的打印实体.

(2)个性化快速制造.因为3D打印的加工过程并没有使用专用的夹具或者工具，无需机械加工人员进行加工干预，整个生成过程全自动化、智能化以及设计制造一体化，能够按照消费者的不同要求进行个性化设计加工，非常适应快速变化的产品市场.

(3)直接堆积加工.打印的产品是基于全数字信息加以驱动打印设备加工而成，这样的逐层打印、层层堆积的生产模式可以由一台打印中心一次实现，没有传统复杂的拼接组装过程，能够确保实现产品的均匀度和精确度.

1.3常见的3D打印工艺[5]

3D打印工艺涵盖多种工艺技术，目前国际上较为常见的3D打印工艺技术为熔融沉积制造(FDM，Fused Deposition Modeling)、分层实体制造(LOM，Laminate Object Manufacturing)、立体光刻(SLA，Stereolithography Apparatus)、选区激光烧结(SLS，Selective Laser Sintering)等，现分别介绍如下.

1.3.1熔融沉积制造(FDM)

FDM采用熔融折射的方式，通过熔融喷头将熔融材料(如塑性纤维、尼龙等)熔化后挤出，在特定环境下和指定位置处完成沉积、冷却凝固成型，其粘合性来源于熔融材料和基体材料之间的热传递.FDM工艺技术优点是成本低、加工体积小巧、操作简单；缺点是凝固成型的实体表面结合处会有明显的裂纹，结合强度也不能保证,FDM工艺原理(见图3).

图3　FDM工艺原理

1.3.2分层实体制造(LOM)

在LOM工艺加工中，供料机构将底面涂有热熔胶的纸卷材料逐段送至工作台上，这时，驱动激光切割系统，按照接收的计算机层面轮廓信息使用激光光束(如CO2激光束)对纸卷材料层进行轮廓切割，将轮廓外的无用材料切成小方块去除.LOM工艺技术优点是制造成本低，无需填充材料，产品成型率高；缺点是表面质量较差，另外材料利用率很低, LOM工艺原理(见图4).

图4　LOM工艺原理

1.3.3立体光刻(SLA)

SLA方法是基于液态光敏树脂的光固化原理形成的，它主要通过采用紫外波长的激光束对液态光敏树脂进行扫描，激光束经过的地方，液体就固化形成一个特定厚度的薄层，自下而上逐层加工，直到整个三维实体模型加工过程结束,SLA工艺原理(见图5).

图5　SLA工艺原理

SLA工艺技术的优点是原材料利用率很高，接近完全利用，加工出的实体表面光滑，质量优异；缺点是成本高，可利用的原材料十分有限，打印出的实体在光照下也极易分解.

1.3.4选区激光烧结(SLS)

SLS工艺原理如图6所示.SLS工艺技术与3D打印原理最为相似，都是采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末等.工艺原理(见图6).

图6　SLS工艺原理

不同之处在于，SLS是采用较高功率的激光束，把材料粉末通过烧结的方式连接形成实体零件.SLS工艺技术优点是可选择的打印原材料种类繁多，打印出的机械性能优异；缺点是成本较高，粉末成型度不好.

23D打印技术应用[6-7]

2.1设计模型

设计模型时，主要是利用3D打印去构造实体模型，包括产品的外形设计、结构设计以及美观度.根据不同用处需要，打印出来的实体模型仍然需要反复修改完善，直至设计出完美的设计模型，从而更好的满足产品对外形的美观、新颖度以及结构功能的要求.设计模型可以更好地帮助设计人员和客户对打印出的产品试件进行审查，会使外形设计及检验更加直观，更加方便快捷.

2.2功能制造模型

3D打印技术应用于功能制造模型，这样设计人员可以根据功能制造模型去评判该实体模型的设计结构是否合理，也可以利用该模型进行一定的性能测试和工程评估.如在实际的模具制造中，传统的方法是根据几何造型在数控机床上直接开模，这样对于一个价格昂贵的复杂模具来说风险过大，可以说一个小小的设计失误反映到模具上的损失就不可估量.那么，利用3D打印技术生产出的功能制造模型不仅能够使上述风险降至最低，而且可以灵活调整功能参数，用于不同情况下的模型性能评估.

2.3实验分析模型

3D打印技术能够在计算分析与试验上得到很好的运用.例如对有限元分析的结果能够做出实体模型，有利于了解分析对象的实际变形与应力情况，从而对分析模型进行合理性修改.另外，对于飞行器、轿车后地板支架、飞机桁架设计等，大都可以采用3D打印严格按照原设计路线将模型快速的生产出来进行试验分析等.

2.4航空、医疗、建筑、艺术行业

3D打印技术不仅在制造行业中得到推广应用，在航空、医疗等领域也得到了发展运用.如空客A380客舱里使用3D打印出的行李架，“台风”战斗机中的3D打印空调系统等.医疗上，3D打印技术常见于人体器官的打印，如牙齿、头骨以及假肢等，目前也有人体心脏打印的报道.建筑领域一般利用3D打印进行建筑模型的快速设计和制造，从而使客户对建筑方案一目了然.在艺术领域采用3D打印技术能够使艺术家的创造迅速完成，尽早的呈献给观众.

3面临的问题与机遇[8-9]

3.1缺乏技术创新

3D打印技术是一种新型的制造加工技术，是以CAD技术、反求工程、数据转换与处理等技术作为基础支撑的一门综合技术，这在技术层面就要求我们要持续不断的进行技术创新.而就目前中国制造业情势来看，中国制造仍然处于粗放式制造层面，中国仍然处于制造价值链中的最低端，还不能有效结合新技术实现制造产业的整体转型升级.虽然经过近30年的飞速发展，中国已经成为世界制造工厂，成为世界第一制造大国.但是我们必须认清以下事实，我国制造是在量上的第一，而非质上的改变，在质量上我国仍然没有缩小与发达国家的差距，相反这种差距随着时间的推移变得越来越大.要想真正实现中国制造到中国创造的转变，中国必须走技术创新路线，而技术创新的缺乏正是目前中国制造业所面临的亟待解决的瓶颈问题.

3.2成本急剧增加

我国自然资源品种广泛，但存储量十分有限，人力资源虽然丰富，但低价劳动力据多，这样造成的尴尬局面就是生产制造总成本不断增加，附加值并不成比例增加，获得的经济效益日渐削减.我国是制造大国，倘若能够突破生产材料限制，努力提高员工整体技术水平，采用更轻便更绿色的能源，积极探寻“减材制造”的新方法，势必会从根本上大幅降低制造成本，带来可观的经济效益.

3.3产品价格昂贵

目前，由于3D打印技术还处于起步发展阶段，技术还不算十分成熟，还不具备规模生产的经营发展要求，只适合单个小批量生产，价格优势欠缺，可以说是十分昂贵.根据实际调研，市面上1 kg的打印材料少则几百元，多则达到几十万元，由此可见3D打印技术在一段时间内还不能完全代替传统制造技术，还不能真正达到飞入寻常百姓家的地步.虽然在大批量生产上，3D打印不占优势，但在单个小批量生产上面， 3D打印却拥有巨大的优势.因为单个的产品价格都相差无几，但3D打印却能够快速高效地生产产品，就这方面而言传统制造是无法比拟和超越的.

4结论

在当今瞬息万变的信息化时代，随着计算机、网络技术的飞速发展，使得各行各业的人们快速获取信息资源的能力大大增强，世界任何一项重大的新技术很快会被共享，这就迫切需要企业加快产品创新.谁能够在第一时间开发出新产品，谁就能够最快的占领世界市场，获得财富.这样，传统的制造企业模式就不再适应市场飞速发展的需求，取而代之的便是新兴的产品设计手段和现代化制造方法.可见，我国制造业要想真正实现制造产业升级，真正实现从中国制造到中国创造的转变，就必须抓住3D打印技术给我们带来的契机，充分利用以3D打印为代表的新技术，更好地为我国制造业服务.

参考文献：

[1]于灏，黄瑶.为什么要发展增材制造?(上)[J].新材料产业,2014(4):27-31.

[2]王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业,2012(9):3-5.

[3]候琳,齐健.3D打印技术及产业前景展望[J].CAD/CAM与制造业信息化,2013(9):66-70.

[4]李小丽,马剑雄,李萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.

[5]杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技术,2013(1):13-17.

[6]薛晶晶,王志奎.浅谈3D打印技术[J].无线互联科技,2014(6):207.

[7]张楠,李飞.3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计,2013,30(7):97-99.

[8]王春净,夏成宝,叶达飞.3D打印技术：如何颠覆传统制造业[J].机械制造,2014,52(3):88-89.

[9]吴春兰,韩晓红.3D打印技术对我国制造业带来的机遇探讨[J].兰州交通大学学报,2014,33(2):128-130.