3D打印技术概况及其应用

李　健，王　奕，毛新齐，褚连青

中国电子科技集团公司第46研究所

3D打印技术概况及其应用

李健，王奕，毛新齐，褚连青

中国电子科技集团公司第46研究所

3D打印技术是一种将材料一次性熔聚成型的快速制造技术，目前已广泛的应用于人类生活的很多方面。本文从文献研究入手，介绍了3D打印技术的发展现状，介绍了几类主要的3D打印材料，并列举了3D打印技术在日常生活中的重要应用。

3D打印；3D打印材料；应用

一.引言

3D打印技术指的是将把材料进行一次熔聚，实现快速制造的先进技术，其依托于数字模型文件，经过应用粉末状的金属和塑料进行打印，而且会形状各异，采用连续层的方式建造空间物体。

3D打印技术的应用几乎不需要使用模具，也无需进行机械加工，运用计算机图形数据生成功能，改变物体的特性与形状，较之我国的传统制造业，具备一定先进性，传统加工方式无法实现的零件制造可以通过此技术变为可能。3D打印技术适合于新产品的开发以及形状较为复杂的零部件制造，还有快递快件与批量较小的模具设计，此技术不仅适用这些类型制造，对于加工难度大的材料制造与设计等工程具有显著作用。

世界上首台打印机诞生于3D Systems公司的Charles Hull，公司坐落于美国。该公司采用先进技术，通过桌面程序的驱动，将文件转换成为实际物品。3D技术的出现早于本世纪，出现于美国20世纪初，而且被美国政府应用于军事方面，在实践中得到广泛应用。现在，西方经济较为发达地区，3D打印技术的模式已经形成，逐步在商业推广中开始宣传。3D技术不仅局限于上述方面，同时还分别应用于汽车制造业、医疗行业以及航空业方面，3D打印技术的应用能够进一步降低企业生产成本，提升生产效率，制造出更加符合客户要求的产品。

二.3D打印材料

3D打印材料是3D打印技术的重要组成部分，一直以来材料的不断更新和完善，助推了3D打印技术发展速度。现在，实际生活中经常应用的3D打印机主要涉及工程塑料、金属材料、光敏树脂以及橡胶类材料等。不仅如此，3D打印技术中还应用到了细胞生物原料、砂糖以及彩色石膏下料等，随着新技术的不断更新与发展，3D打印技术已经取得了巨大突破。

1.工程塑料

ABS材料属于快速成型的工艺工程塑料类型，其特点明显，高强度、耐冲击性优良、韧性好等，如果变形属于正常基础，那么温度就会高于90摄氏度，可以根据情况适时机械加工喷漆及电镀。汽车领域、电子产品消费领域以及家电等行业应用较为广泛。

PC材料属于热塑性材料，具有高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲等特点，可以作为3D打印机的最终零部件使用，由于其工程材料属性相对较强，所以电子消费品、航天以及汽车制造领域都在进行推广，并且被广泛应用。

尼龙玻璃纤维状是白色粉末，与常见的普通塑料相比，拉伸强度较高，弯曲程度与热变形温度都相对较强，主要应用于家电、汽车和电子消费品领域。

2.光敏树脂

光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，当波长达到一定范围时，经过照射，就可以利用聚合反应，实现固化作用。光敏树脂通常呈现液态状，是制造防水材料的搞材料，具有耐温性高、强度高之特点。现在实际中经常见到的光敏树脂主要由Somos 19120材料、Somos 11122材料与环氧树脂组成。

Somos 11122材料的显著特性有防水性能好、稳定性高，还能够提供多种性能的工程塑料，在医疗与电子领域应用较为广泛。

Somos 19120材料主要用于专用材料的铸造，建设成型后，能够代替精密铸造的蜡膜原型，能够从一定程度上缩短生产周期，更是具备高精度与流灰烬低的显著特征。

环氧树脂是激光快速成型树脂，其便于铸造，对于快速铸造模型有很大作用。

3.橡胶类树脂

橡胶类建造材料特征显著，包含较多种弹性材料，从材料的硬度、拉伸度等有较强性能，能够在多种领域应用，尤其是防滑与柔软表面需求领域，3D打印技术橡胶类的产品包括多种医疗设备、垫片以及轮胎等。

4.金属材料

3D打印对金属粉末的要求一般较高，纯净度高、粒径分布窄、氧含量低的金属才能作为3D打印材料使用。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钴铬合金、不锈钢、钛合金和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料.

5.陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高温、高强度、化学稳定性好、高硬度、低密度等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料较脆，使其难于加工成型，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长这些问题得以解决，才能满足产品更新的需求。

三.3D打印技术的应用

1.航空航天

欧美已将3D打印技术视为提升航空航天领域水平的关键支撑技术之一。3D打印技术在航空领域的应用广泛，主要集中在3类：外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造等。波音公司已经利用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的形状复杂导管。

2.生物医学领域

在生物医学领域，目前3D打印技术在国际上已开始被用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、以及细胞或组织打印等方面。

3.体育

在通常的制鞋程序中，设计、做模型、再做鞋子要花去很长时间。耐克公司鞋类创新副总裁托尼·比格内尔表示，制作出一款与设计构思完全相符的鞋子，可能需要尝试成百上千次。因此，耐克抛弃了传统制鞋的过程，使用3D打印技术，因为这样才有可能在短时间内突破限制。3D打印技术使耐克公司能够在短时期内完成设计制造舒适的鞋子，缩短了鞋子的生产周期，也提高了其生产效率。

四.发展趋势

随着智能制造的进一步发展成熟，3D打印技术也将被推向更高的层面。提升3D打印的速度、效率和精度，开发连续打印、多材料打印的工艺方法势在必行；开发更为多样的3D打印材料，使打印更加高效；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，满足大多数家庭日常应用的需求；拓展3D打印技术在更多行业领域的创造性应用，使更多的行业受益。

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［2］杜宇雷，孙菲菲，原光等.3D打印材料的发展现状［J］.徐州工程学院学报，2014（3）

［3］杨恩全.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）

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