浅析增材制造技术

陈玉莲 吴敏娇

摘 要：围绕3D打印，从技术层面上概要介绍了其发展历史，分析了其优劣和应用。主要包括3D打印的历史、原理、流程、特点和应用等方面，为广大新手和爱好者揭开3D打印的神秘面纱。

关键词：3D打印;略议;格式

3D打印目前被炒的“火热”，认为其“无所不能”，可以颠覆传统……毋庸置疑，作为一种黑科技，3D打印会给我们的未来带来极大的变革，主要有三个领域：工业生产（制造业）、科学技术（医学）和生活消费（民用化），相信3D打印必然会成为必需品。本文拟从三个方面简略论述3D打印。

1 概述

3D打印是近年来出现的一个新词，在专业领域有个好听的名称——快速成形技术或增材制造技术。通俗的讲就是以电脑设计（如3DMax、Maya、Blender等）的三维模型为基础，区别于我们所熟知的平面图形，然后采用塑料、金属粉末、液态树脂等原料，在3D打印机中一层一层打印，叠加成一个立体实物。

1.1 3D打印的历史

3D打印技术最早是由美国查尔斯·赫尔（3D打印之父）于1984年首次开发成功。1988年，斯科特·克伦普发明了熔融沉积快速成型3D打印技术，即目前最常用的FDM。1995年，3D打印被列为我国未来十大模具工业发展方向之一。2008年第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布。2012年，我国宣布掌握大型结构关键件激光成型3D打印技术。

1.2 3D打印的原理

3D打印的原理与传统打印机基本相同，不同之处在于材料传统打印机用墨水和纸张（平面），3D打印则采用金属、塑料、陶瓷、粉末、砂等（立体）;技术上实现了从液体在平面上喷涂转变到板子上逐层累积叠加成为一个完整的整体。

1.3 3D打印的流程（三步）

（1）三维建模，软件切片。切片的目的是把立体模型分割成许多层（截面），便于3D打印机打印。

（2）3D打印机逐层打印。

（3）后期处理，打磨、上色。去掉模型上的支撑等多余不规则的部分，抛光、上色、装配等。

1.4 3D打印的技术种类

和許多技术一样，3D打印机起初也是用于军工领域，随着技术的成熟，逐渐进入工业和民用领域，目前最常用的有三类FDM熔融沉积、SLA光固化和SLS激光烧结。

2 3D打印的特点

传统制造有等材制造（铸、锻、焊）和减材制造（车、铣、刨、磨），在制造零件时需要考虑模具。与传统制造相比，3D打印被称为增材制造，因其成形原理参照了打印机，采用逐层累加方式，故俗称“3D打印”，不需要刀具、夹具、开模等，大大减少了工序，缩短了加工周期，且形状越复杂越灵活，效率越高。

2.1 3D打印的优势

（1）没有边角料，节约环保。

（2）无限创意。

（3）私人定制。

（4）无限复杂。

（5）穿越时空（电影《十二生肖》、空间站太空打印机、互联网+等）。

（6）按需生产、零库存、即打即用。

2.2 3D打印的局限

（1）3D建模的难题。令大多数人头疼，受专业基础、软件本身的难度等的影响，往往局限于少数专业人士（建筑、机械等），尽管可以扫描，但不成熟。

（2）材料的局限性。多数物品是由多种材料混和拼接制成，但3D打印目前能用的材料还不太多。

（3）机器的限制。复杂性，高稳定性、高效率、低成本、低维护性和易操作性。要成为主流技术，还有很长一段路要走。

（4）知识产权的忧虑。

（5）成本的制约。

3 3D打印的应用

3.1 航空航天领域

这是3D打印应用最早的领域。如有着“中国激光3D打印带头人”的王华明院士，他所研制的技术已被应用到战斗机、导弹、卫星上。再如美国国家宇航局2015年10月建立火星殖民计划，将用3D打印技术。

3.2 医疗领域

国内这方面的应用真是精彩纷呈。如3D打印骨胳技术在2013年被正式批准进入临床应用阶段，同年刘忠军教授所带领的团队，已经成功为50位患者植入3D技术打印骨骼。

3.3 教育领域

我国的传统教育是应试教育，大多数学校都没有开设学生创新性培养的课程，纯粹的理论学习会使学生的大脑僵化。而3D打印在教育领域的应用，将非常有利于增强学生的互动性和创新性，缩小了虚拟与现实之间的距离。

3.4 生活领域

3D打印涉及我们衣（3D打印服装已经不是什么新鲜玩意儿，从纽巴伦的跑步鞋到香奈儿的套装，3D打印服装界已经出现了一些夺人眼球的产品）、食（只要准备好原料，就可以像打印文件一样打印出糕点、糖果、饺子等来）、住（2015年9月在上海张江高新青浦园区内，用建筑垃圾打印的房屋，就像搭积木一样）、行（2015年世界首款3D打印电动汽车亮相，其成本只有3000﹩，耗时44小时，时速高达80公里/小时）的各个方面，小到一颗螺丝，大到一幢房子，3D打印似乎“无所不能”。可以想象，随着3D打印技术的成熟和完美，其应用领域会越来越广阔。

4 3D打印的前景

3D打印在短短几十年间也变化巨大，但基数小、更新换代也相对慢一些，从1986查尔斯·赫尔发明光固化打印机到2008年开源的桌面级3D打印RepRap。目前3D打印的发展可以说是“脱胎换骨”，可以预见，3D打印会像电脑手机一样推陈出新，慢慢进入我们寻常百姓家。正如《连线》前主编渴攀里斯·安德森所言：“3D打印是一件比互联网更大的事情！”

参考文献：

[1]Walters，P.&Davies，K3D printing for artists：research and creative practice[J].Journal of the Norwegian Print Association，2010.

[2]Berman B.3-D printing：The New Industrial Revolution[J].Business Horizons，2012.

[3]黄健.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013.

[4]中国科技报.2015-08-31.

作者简介：陈玉莲（1973-），女，甘肃天水人，硕士，副教授，主要研究方向：机电、CAD/CAM。