3D打印制造技术的应用

王志永　郑媛媛

摘 要：当今时代，3D打印产品已经逐渐趋于潮流，未来在不同的产业当中都将存在3D打印技术。3D技术已经在许多行业中使用，比如：交通、医疗、军事、教育、航空航天和医疗行业。用途包括建立概念模型，功能原型，工厂工具（如模具），甚至制造成品（如飞机内部组件），本文主要简要描述3D打印在制造业中的应用。

关键词：3D打印技术；普通消费；工业生产；生物工程

3D打印技术在原理上并不复杂。其工作原理是将计算机设计出的三维模型分解为若干平面切片，然后把打印的材料按切片图形逐层增加，最终堆积为完整的物体。与传统制造业在材料上做减法不同，它奉行的是加法守则。要打印一个东西，首先要有一张3D立体图，配套的软件会把这张图上的物体进行一系列数字切片，并将切片信息传送到打印机，打印喷头立刻启动，根据切片信息，一层层极薄地堆叠出立体物件，所以它也被称为“添加式制造”。目前最常见也是最便宜的3D打印机，使用的材料是热塑性塑料条。这种被称为熔融挤出成型（FDM）的打印方式，是通过一个微孔挤压出因为加热而熔化的塑料，然后将塑料层层重叠，建造托盘上将它塑造成型。更高端的3D打印机是通过使用激光在材质盆中硬化液态树脂，这种打印机被称为立体光刻（SLA），或者层层硬化粉末状塑料、金属、陶瓷材质，也就是所谓的激光烧结（SLS）。本文主要详细讲述3D打印制造技术在现在社会的主要应用，就目前来说，3D打印制造技术主要应用在3个方面：普通消费、工业生产、生物工程。

普通消费。3D打印技术的发展使得普通消费者在自己设计东西方面有了很大的进展，消费者可以自己参与产品的设计，不再是单方面由设计者自己设计，同时这也激发了广大人群对于设计产品的积极性。消费者可以在工业、工艺、珠宝、玩具、文化创意等领域进行设计，当所设计的产品损坏时，可以通过自己原始设计图，到当地3D打印社进行打印，不需要再跑很远的地方进行专门制作，这样既保证了每个人所使用东西的多样性与独特性，也大大节约了消费者购买所花费的时间。

工业生产。在工业生产方面，它主要分为两个部分，一是原型制造，主要用于模具、模型等行业。二是产品制造，包括大型金属结构件和小型金属零部件的直接制造。

目前3D打印技术在模具领域中发展最迅速、产值增长最明显的应属快速模具。快速模具技术能够解决大量传统加工方法难以解决甚至不能解决的问题，可以获得一般切削加工不能获得的复杂形状，可以根据CAD模型无需切削加工直接将型腔曲面制造出来。传统的机械加工方法制作母具，存在周期长、废品率高、成本高的缺点，然而产品更新换代日益加快，小批量、多品种、个性化是许多产品的特性，传统铸造模具方法已经很难适应这种对产品的特殊需求，而3D打印可以实现模具的快速制造，减少模具成本和时间，很好的解决了复杂母具的制造问题。

查阅资料可以了解到：传统的金属制造，如砂型铸造（与其他传统铸造相似）会有铸造缺陷：冷却不均匀；浇铸过程中会夹杂空气形成气孔形成缺陷；在结构上，部分金属液体很难快速填充到的地方会有成型缺陷。而3D打印金属的性能在某些领域已经接近甚至超越传统的常规加工。从材料角度讲，传统常规工艺采用原始的液体、固体、粉末等材料，材料本身无特殊处理；而3D打印使用的金属粉末材料，是经过特殊处理的，加入了更多成分元素，已经具有了屈伸强度、拉伸强度、延伸率、杨氏模量、硬度、断裂拉伸界点、热膨胀系数、弹性模数、熔度范围、耐腐蚀性、粘合强度等几十项指标。而此类材料的性能是经过研究、测试、引用，已经证明是符合结构件的需求。另外，3D打印设备工艺的性能改进优化，对金属打印的精度、致密度也有极大提升。

生物工程。其实，笔者最感兴趣的还是3D打印技术在生物工程方面的应用。3D打印技术由于操作便捷、模型结构精确等特点，目前已在骨科领域广泛应用，且3D打印技术的临床效益显著。术前在实物模型上模拟手术操作，能及时发现手术设计上的缺陷与不足，以便作出调整，提高手术的安全性，术前在模型上选择最佳的进钉点、螺钉的长度及直径，减少术中出血量及手術时间。通过实物模型可以更好地与患者及家属沟通，解释和交流病情。此外，通过3D打印制药生产出来的药片内部具有丰富的孔洞，具有极高的内表面积，故能在短时间内迅速被少量的水融化。这样的特性给某些具有吞咽性障碍的患者带来了福音。而至于3D打印生物器官方面，也是未来一大趋势，但是在医疗领域里，3D打印目前最重要的角色是生产医疗器械原型机。

总的来说，打印器官还是属于前沿技术，短时期内得到广泛应用并不现实。3D打印最能得到用武之地的地方还是在制造其他器械上。

未来3D打印会极大地改变我们的生活。而这种改变实际已发生多时，从电脑的发明到互联网的蓬勃繁荣都是这场革命的一部分，正如Chris Anderson在《创客：新工业革命》中这样的一段描述：“制造业本身正处于向数字化转变的过程中：实体物品已经成为屏幕上的种种设计，而这些设计可以文件的形式在线共享。过去几十年间，工厂和工业设计工作室经历了这样的转变；时至今日，这样的转变终于发生在客户的电脑上和地下室里。从零售业到出版业，一旦一个行业转向数字化，就将经历深远的变革。最大的变化不是制造过程本身，而是谁在做。只要可以在电脑上完成，也就意味着人人可以参与，这正是制造业正在经历的改变。”所以，3D打印技术正将积极影响我们的发展，我们也更应该积极应对3D打印技术。

参考文献

[1] 王雪莹. 3D打印技术及产业发展的前景预见[J]. 创新科技，2012（1）：14-15

[2] 李一欢. 三维打印快速成型机理与工艺研究[D]，西安交通大学，2008