3D打印技术在塑料工业中的应用研究

丁雪晨

（河南轻工职业学院，河南 郑州450000）

本文将以3D打印技术的原理为起点，再结合塑料工业的现状进行分析，然后将3D打印技术与塑料工业相结合，展望未来发展前景并探讨其应用方法，最后将指出3D打印技术在塑料工业上应用的不足之处，从而帮助目前3D打印技术在塑料工业中的应用水平得到提升，并且解决目前3D打印在实施过程中的弊病，期望能够对塑料工业发展起到一定的帮助。

1 3D打印技术在塑料工业中的应用背景

1.1 3D打印技术的基本概述

3D打印是一种基于数字模型文件的快速成型技术，使用逐层打印的方式来制作塑料制品的新型技术。它被广泛应用于制造模具、工业设计和其他制造模型的领域，目前正在逐步用于直接生产一些产品。特别是一些高价值产品，已经使用了3D打印技术，意味着这种技术已经开始普及。3D打印机通常使用数字技术材料打印机。在21世纪，3D打印机的生产和销售额度大幅增加，价格每年都在降低。这种最先进的技术应用范围十分广泛，在珠宝、制鞋、工业设计、建筑、航空、牙科、教育、地理信息系统、3D武器方面均有所涉猎，实际上在20世纪90年代中期，3D打印技术是利用光的固化和纸张的重叠技术来实现的。它的工作原理与普通打印机相似，打印设备中配备有打印粉末或是打印颜料用以打印成品，与计算机连接后，由一层层的“打印材料”重叠而成，最后形成电脑上的设计作品。

1.2 塑料工业的发展现状

随着中国经济持续健康发展，中国的塑料工业随之兴起，塑料产品的质量很高，在世界上拥有显著成就，经济指标明显增长，在轻工业产出和产品出口方面排名世界第三。几十年来，中国塑料行业的经济表现达到了预期的两倍。塑料产业作为朝阳产业不断发展，规模不断扩大，连续几十年的经济发展增势都在上升，塑料工业的增长、塑料加工设备的增长居世界第一，塑料制品数量居世界第二[1]。工业企业数量快速增长，进一步加强中国的塑料产业创新能力的发展，现已成立数十个高新技术产业群，产业结构、企业结构都在不断调整，并且形成了集成化态势，塑料工业的整体发展水平不断提高，与发达国家的差距正在逐渐缩小，某些方面已经达到世界先进水平。在塑料工业中，塑料制品是加工的主要产品，包括塑料合成树脂、助剂、添加剂、塑料加工设备、塑料模具。国家也在大力支持塑料工业的发展，积极促进塑料工业改造和塑料工业现代化，坚持走新工业道路，塑料工业由此正在蓬勃发展，塑料工业在经济建设中日益重要的作用，是塑料工业逐步从大规模到发展势头强劲的重要保证。

2 3D打印技术在塑料工业中的应用表现

2.1 传统塑料工业制造工艺

在人们日常生活中，时刻需要塑料，塑料制品已经覆盖了人们的整个生活，衣食住行的任何一方面都有大量的应用，但塑料材料相对于其他材料来说有着不可规避的不足，例如相比于金属材料来说易破损，主要表现在塑料制品易老化，易破裂，过大的冲击会引起变形、凹痕、撕裂或残缺。塑料零件的更换成本通常较低，因此塑料零件损坏时基本上都会直接更换。一般的铸造、挤压、冲压等方法，主要是批量生产，生产前需要设计模具，单独的塑料产品成本高，制作周期通常比较长。造成一些定制产品不能及时、有效地送到客户手中，并且单独制造塑料制品对于塑料制造企业来说是一项耗费材料和时间的工程，所以不适合批量生产的企业去制造。

2.2 3D打印技术在塑料工业制造中的制造工艺

与传统的塑料制造技术相比，3D打印形式的定制塑料部件具有明显的优势，如时间快、周期短、运用方式灵活，借助RE技术、CAD建模技术，3D打印技术在一定程度上弥补了塑料工业中存在的部分不足，并消除了传统塑料制作方法方面的部分困难。例如在修复塑料的破损部分时，传统工艺首先要分析破损原因，塑料制品的断裂是由外力造成的，利用传统修复方法通常会使塑料制品的整体强度和美观性方面与原来的质量和美观程度有所差别，所以需要直接更换新部件。但塑料制造企业并没有破损部分的模具，所以选择更换部件通常是不明智的，不仅影响产品的质量或美观性，甚至直接损害整个产品[2]。使用3D打印技术，可以快速制作出一次性塑料零件，创建数据模型的打印部分可以有两种方式：用简单的手工测量方法来测量CAD模型；对零件进行3D扫描后，收集大量数据，并完成细节建模。对于缺少碎片的一些塑料部件，例如，如果缺失的部分较小，传统的制造方法可以完成，但是当更大的空白难以填补时，如汽车模型、卡通模型通常很难得到相同的零件，此时，3D打印技术可以在安装或组装后重新修复材料。

2.3 3D打印技术在塑料模具制造上的应用

3D打印技术主要是通过反向思考来制作塑料制品，3D打印技术可以在模具处理过程中解决问题，并可以直接缩短塑料制品的制作时间。可以结合传统的塑料制作技术，更好地制作塑料制品。3D打印分为3D剖面、模型分层和打印。3D建模的质量，对后续生产有着非常重要的影响，使用3D打印技术在3D空间中定义不同的制品参数，提供模型的空间坐标，确保塑料制品的形式符合最终产品的要求。模型分层主要用于3D打印时将塑料制品分为几个层次，并在每一层存储相关信息，层数分得越多，产品的准确性越高，生产速度越慢。在最后打印时，3D打印机可以自动读取信息，最终根据程序，使3D打印材料成型，满足需求的塑料制品形式。

3 3D打印技术在塑料工业中的应用发展

3.1 3D打印技术应用于塑料工业的发展前景

3D打印如一场风暴席卷传统塑料加工领域，让传统的塑料工业有了高质量的飞跃，其不需要二次加工，在废物利用方面同样取得了重大进展。3D打印的效率和速度也在迅速提升。当然，3D打印也有一些缺点，如打印机的价格比较昂贵，维护成本很高，并且对于材料的要求也比较高。操作3D打印软件的步骤也非常复杂，使用3D软件处理的数据数量也很多，目前还不能实现批量生产[3]。在某些领域，传统打印技术仍然很难被取代，因为传统打印技术中有很多优势，例如上述提到的成本问题和打印效率问题，但3D打印技术同样拥有自己的技术优势，能完善一些传统工艺方面的技术难点，只要将打印过程中的成本降低，将设备的造价与售价降低，提高生产效率，生产线能够批量化生产，相信3D打印技术的前景依然十分广阔，未来一定会有更好的发展。

3.2 3D打印技术应用于塑料工业的发展关键

解决材料方面的不足。由于塑料本身的强度问题，3D打印的性能将取决于塑料材料的极限性能，3D打印主要用于普通产品，具有特殊功能的塑料制品几乎无法应用。目前尽管现有塑料材料的质量在发生变化和改进，还研发出了一些高性能塑料并已经取得了一些研究成果，但它们的性能仍然难以满足塑料3D打印机的需求，难以打印出功能完整的塑料制品，从而限制了塑料3D打印技术的发展。因此，未来对3D塑料的研究应当集中在如何提高塑料的高性能上，包括耐热和强度等。需继续提高现有塑料制品的生产率。

解决推广方面的不足。由于塑料零件更换成本低，整体打印成本更高，3D打印技术在塑料材料生产中并不适用和被推广，进一步减少打印成本，提高3D塑料部件打印效率是未来研究的一个重要问题。目前，3D打印的推广率很低，特别是在打印数据建立方面，3D打印技术在塑料修复方面的应用范围非常窄。随着3D打印技术的进一步发展和推广，这种情况将会改善。例如，价格很低、使用很方便的FDM打印机陆续进入学校、家庭等，特别是3D打印的网络软件，使3D打印更加方便，即使没有专业技术也能实现3D打印。

4 结论

塑料制品的制作过程中，3D打印具有快速和灵活的优势，可以运用RE技术和CAD建模技术进行制造，在一定程度上弥补传统塑料回收不便和生产效率不高的不足。随着3D打印技术的进一步发展和推广，降低3D打印成本和提高3D塑料打印的生产率将逐渐成为现实，3D打印将会被更广泛应用于塑料生产和修理打印设备，特别是在高精度、高价值或有纪念意义的塑料产品中。