3D打印技术及应用趋势

张秀萍 梁杰

（新疆轻工职业技术学院，乌鲁木齐 830021）

3D打印技术及应用趋势

张秀萍 梁杰

（新疆轻工职业技术学院，乌鲁木齐 830021）

3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。文章对3D打印的概念、特点、优势及在行业领域的应用和3D打印技术在国内发展现状做了介绍，并对3D打印技术未来的发展趋势做了展望。

3D打印技术 快速成型 发展前景

1 3D打印技术简介

3D打印技术（3D Printing）又称作RP（Rapid Prototyping）快速成型技术，或者AM（Additive Manufacturing）增材制造技术。它是通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造。作为一种综合性应用技术，3D打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

3D打印机的工作原理其实很简单，通俗地说，首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型（也称为计算机辅助性设计），然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机，再将打印机与电脑连接，就可以通过电脑控制把“打印材料”和三维立体模型一层层地叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物。这种通过连续的物理层创建出三维对象的3D打印技术是叠加式制造工序的一种形式，与传统的叠加式制造工序相比，具有速度快、价格便宜等优点。

3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。

2 3D打印技术的特点及优势

与传统的“去材加工”相比，3D 打印制造技术的主要特点体现在：不需要刀具、模具，所需工装、夹具大幅度减少；生产准备周期大幅度缩短，整体制造周期短；可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构；材料利用率大幅度提高，因此，3D打印技术更大的优势体现在：

（1）制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。但对于3D打印机而言。制造一个华丽的、形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。

（2）产品多样化不增加成本。一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料就可以打印许多形状，省去了培训机械师或购置新设备的成本。而传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。

（3）无须组装，3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上。在现代工厂，工人需要将很多的零部件组装成产品。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。而3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套脚链，不需要组装，大大节省了劳动力和运输方面的花费。

（4）零时间交付。3D打印机可以按需打印，企业可根据订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，进行即时生产，减少了企业的实物库存，如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付生产能最大限度地减少长途运输的成本。

（5）设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品。制模机仅能制造模铸形状。而3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间。

（6）零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能，但3D打印机只需从设计文件里获得各种指示，便能做同样复杂的物品，且需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，也为在远程环境及极端情况下的人们提供了新的生产方式。

（7）不占空间、便携制造。就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动。打印机可以打印比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

（8）减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生的副产品较少，传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里，而3D打印制造金属时浪费量则大幅度减少。因此，随着打印材料的进步，“净成形”制造会成为更环保的加工方式。

（9）材料无限组合。对当今的制造机器而言，在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起，将不同原材料结合成单一产品是件难事。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

（10）精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将把数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

3 3D打印技术的行业应用

3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。目前，3D打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车）、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展。其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个方面。

（1）计方案评审。借助于3D打印的实体模型，不同专业领域（设计、制造、市场、客户）的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。

（2）制造工艺与装配检验。3D打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节，借助3D打印的实体模型结合设计文件，就可有效指导零件和模具的工艺设计，或进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。

（3）功能样件制造与性能测试。3D打印的实体原型本身具有一定的结构性能．同时利用3D打印技术可直接制造金属零件，或制造出熔(蜡)模；再通过熔模铸造金属零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。

（4）快速模具小批量制造。以3D打印制造的原型作为模板，制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具，可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。

（5）建筑总体与装修展示评价。利用3D打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。

（6）科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可通过3D彩色打印，实现几何结构与分析数据的实体可视化。

（7）医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术，利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型．可指导手术方案设计。也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

（8）首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3D打印制作蜡模，通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。

（9）动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现动漫等模型的快速制造，指导和评价动漫造型设计。

（10）电子器件的设计与制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上，设计制作电子器件和光学器件，如RFID、太阳能光伏器件、OLED等。

此外，3D打印技术还能应用在文物保护、食品产业、服装没计等领域。几乎任何你能看到的东西都能用3D打印技术打印出来。图1至图6是3D打印技术在这些行业的应用。

4 我国3D打印技术发展概况

图1 3D打印产品—轿车变速箱壳体

图2 3D打印产品—雕塑

图3 3D打印产品—首饰

图4 3D打印产品—建筑模

图5 3D打印产品—牙齿矫正器

图6 3D打印产品—工艺品

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用;北京航空航天大学最近突破3D打印材料限制，打印出飞机钛合金起落架。在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教育和研究工作。近年来，国内一些企业如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。

5 3D打印技术发展前景

3D打印技术是一个新时代的新兴技术，它足以引导第三次工业革命，它的发展前景可以归纳为以下几点。

（1）基于技术的革新，其打印速度、打印效率都会得到突飞猛进的发展。

（2）各种新型材质的投入使用，比如纳米材质、新型高聚合材质等，可以让打印出更加多的真实物体。

（3）打印机的成本和价格受到技术提高的影响将大幅度的降低，个别厂商还推出了1万元以下的民用级别打印机。

（4）3D打印技术的应用将更加广泛，不仅仅是早前的航空、机械、医疗等范畴，更加广泛的扩展到家用的厨具、军事上的机械零件等领域。

鉴于3D打印技术的发展前景如此的宏伟壮丽，犹如一股强烈的科技风暴在席卷传统的制作和加工业，3D打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态。

一是使制造工艺发生深刻变革。3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。

二是带动制造技术的重大飞跃。3D打印技术是一门综合应用CAD／CAM技术、激光技术、光化学、控制、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃，从而带动相关产业的发展。

三是使制造模式发生革命性变化。3D打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变。3D打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间，消费者只要简单下载设计图，在数小时内通过3D打印机就可将产品“打印”出来。从而不需要大规模生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件。即所谓的“社会化制造”。“社会化制造”的另一优势是通过制造资源网和互联网，快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网，这是实现敏捷制造、精益制造和可持续发展的一种生产模式。

6 结束语

3D打印技术是一种新兴的革命性的技术，虽然它有很多的不足，如目前3D打印机造价昂贵，不利于普及；可选择的打印材料有限；成型品的物理特性较差，打印精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求等，但是它的优势和特点对未来的制造工艺发展可以带来更大的影响力。随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，3D打印技术在未来必定成为新时代的标杆技术之一，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。

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[5]钟禾.“3D打印机”：可任意“打造”出塑料制品[J].国外塑料，2011（04）.

3D Printing Technology and Its Application Trend

ZHANG Xiuping,Liang Jie
（XinJiang Institute of Light Industry Technology,Urumqi 830021）

3DPrinting technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution;it has been increasingly become popular in the industrial sectors and investor community.This thesis introduces the concept,characteristics,advantage of 3d printing and the application in the field of industry,and future development trend of 3d printing technique is prospected．

3D Printing technology,rapid prototyping,prospects for development