3D打印技术的原理及应用

赵彪　王文鹏　张士超　刘天奇

摘 要：随着科技的进步与发展，人们需要一种能制作出任何能想到形状的物品的技术，这种技术不同于传统的制造业，它可以生产出任何形状的产品，并且具有更快捷以及更低成本的投入等优点。3D打印技术实现了这种可能。3D打印技术可用于航天科技，音乐行业，医疗行业，建筑领域，制造业和许多其他领域。这种技术已经被应用与各种模型的制造、工业产品的设计等领域被用于制造模型，也可以直接用于一些产品的制造，越来越多的行业和领域使用这项技术意味着这项技术正在普及。

关键词：3D打印;模具制造;工业设计

一、3D打印技术简介

3D打印技术，又有3D印刷技术或快速制造技术之称。这项技术的产生是工业制造行业一个重大的转折点。这项技术是将快速自动成型系统与计算机数据模型相结合，可以制造任何复杂的工业产品，并且不需要任何额外的常规模具制造和机械加工。这种技术的诞生大大缩短了工业产品的生产周期，与传统的工业制造和加工方式相比较，这项技术大幅度降低了生产成本。在2005年我国逐渐重视并开始大力发展这项技术后，这项技术已经被应用到很多领域，特别是在医疗领域、军事领域和航空航天等领域。早在2011年，一个荷兰的医疗机构给一名80多岁的老人打印出了金属下颌骨。2017年，我国的建筑3D打印公司盈创与沙特阿拉伯的一家公司签订了价值100亿元的合同，盈创将在沙特阿拉伯的国王的见证下使用3D打印技术在沙特建造三千万平方米的3D打印建筑，这个被打印出来的建筑将被用于解决沙特持续增长的住房危机。这些应用都只是3D打印技术所被应用的一小部分，这种技术还被用于制造各种工业模型，以及一些产品的直接制造，现已有很多使用这种技术打印而成的产品及零部件。这项技术在工业设计、建筑业、服装类设计、汽车制造业、航空航天、医疗产业、教育相关器材的设计与制造、土木工程、武器制造以及其他领域都有所应用。

二、3D打印机的工作简介

3D打印技术主要被应用于3D打印机。3D打印机的工作流程先是通过绘图软件或其他方式建立三维立体的模型，然后将得到的三维模型在电脑或3D打印机上以一定的厚度进行横向的切片处理，这种切片处理相当于将整个三维立体模型横向剖成无数个平面，由3D打印机的XY轴打印系统打印这一平面，打印好第一个的平面后再移動Z轴，打印下一平面，由下向上，层层相叠，最后打印出完整的产品。打印出的分层越薄，生成产品的精度越高。3D打印工作主要分三部分——建模、打印、完成。3D打印模型可以在电脑上用软件生成，也可以使用三维扫描仪生成。通过人工手动收集3D图像所需的几何数据，收集过程同雕塑等造型艺术类似。也可以使用3D扫描仪，可以生成相关物体的三维模型。但是无论使用哪种方法得到的三维立体模型，都需要转换成.STL或.OBJ这类打印机可以识别的文件类型。需要注意的是，生成使用STL格式文件打印3D模型前需要先进行“流形错误”检查，这一步通常称为修正。对于3D打印机的打印流程来说，STL文件修正尤为重要，因为使用3D扫描仪生成的模型通常会有大量流形错误。使用3D扫描仪生成模型常见的错误包括：本应相互连接的各表面没有连接在一起，要打印的模型各处存在不应该存在的空隙等等。完成修正和调整后，用户可以用一种名为“slicer”的软件，这个软件可以将STL文件中的三维立体模型切割成指定厚度的薄层，在切割的同时生成G代码文件，这种文件中包括3D打印机的指令。接下来，用户才可以开始打印。实际应用中的3D打印机通常会包含拥有此类功能的软件。这些软件一般都与各种开源或不开源的切片软件相互配合完成打印工作。尽管现阶段的3D打印技术分辨率能满足大多数产品的要求，但不能排除有的产品需要更高的打印精度。3D打印技术的打印分辨率指的是单个打印层的厚度以及长和宽分辨率，一般打印分辨率的单位为微米。每个打印层的厚度一般为100微米，但有些打印机，可以打印层厚为16微米的产品，打印分辨率与激光打印机不相上下。打印更高分辨率产品的方法是：先用标准分辨率打印出一个比要打印模型体积更大的模型，打印出来后的标准产品用比标准分辨率更高的分辨率调整打印出来的产品，并将有瑕疵的地方修正和调整。这样就可以得到精度更高的3D打印产品。除了打印精度外，3D打印技术往往还有一个因素一般也受人关注，那就是打印时间。根据现在的打印技术以及打印工艺及打印材料的制约，并且还要考虑到模型大小和模型复杂程度的不同，打印的时间从几个小时到几天不等，特别复杂的物品打印时间甚至更长。当然，具体打印时间主要由打印机型号，模型大小的不同会有较大变化。在3D打印机的帮助下，各个领域的设计者和概念开发团队都获得了极大的便利。

三、结语

3D打印技术随着科技的发展越来越接近人们的生活，相对于传统的加工生产方式，它带来的是生产加工理念的革命性改革，它几乎可以打印所有形状的物品。并且由于其个性化定制的特点以及在特殊领域的广泛应用，我相信3D打印技术一定会在“中国制造2025”计划中大放异彩！

参考文献：

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