浅析3D打印技术及其优势

王硕 宋胜利

【摘  要】3D打印技术作为一种新兴的快速成型技术，已被广泛应用于工业造型、机械制造、生物医疗、航空航天、高分子、军工、建筑、影视、文化艺术等领域。论文对3D打印技术进行了简单介绍，并对其优势进行了分析。

【关键词】3D打印;快速成型技术;优势

【Abstract】As a new rapid prototyping technology， 3D printing technology has been widely used in industrial modeling， mechanical manufacturing， biomedical， aerospace， polymer， military industry， architecture， film and television， culture and art and other fields. This paper introduces the 3D printing technology and analyzes its advantages.

【Keywords】3D printing; rapid prototyping technology; advantages

1 引言

3D打印技术亦称增材制造技术，兴起于20世纪八九十年代，发展于21世纪初，并逐渐成为科技界的研究热点。2012年英国著名杂志《经济学人》发表了一篇名为《3D打印将推动第三次工业革命》的文章。美国总统奥巴马在宣布“重整美国制造业”计划演讲中强调3D打印技术有可能改变人类生产制造模式，几乎未来所有产品的制造都可通过3D打印技术完成。中国也正处于从“中国制造”向“中国创造”迈进的重要时期。我国领导人3D打印技术也很关心，2013年9月中央政治局就创新驱动发展战略到中关村集体调研学习，着重调研高性能大型金属构件增材制造技术。3D打印技术作为一项新兴技术，已经在军工、航空航天、高分子、生物医疗、电子制造、建筑、汽车模具、雕刻、首饰、考古等领域都有所应用。

2 3D打印技术简介

3D打印（3D printing）技术，又称增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，是一种自下而上逐层堆积得到产品的制造方法。3D打印的原理類似于喷墨打印机，不同的是其喷出的材料是树脂、粉末、丝材等[1]。该技术依据计算机设计的三维模型（设计软件通常为CAD、SolidWorks、UG等），将三维的物体“切”成片层，从而变成简单的二维物体，再采用激光熔融方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件，是与去除材料的制造方法截然不同的工艺。该技术增材的方式有三种：熔化堆积、烧结、粘结。3D打印技术改变了材料结构的设计，带来了材料性能的提升，实现了构件制造一体化。

2.1 叠层实体制造（LOM）

叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技术，又称为分层实体制造（SSM）技术。该技术以纸、塑料膜或者复合材料为原材料，通过一层层横截面粘结形成初步模型，之后利用CO2激光器发射的激光束对模型进行切割，从而得到最终的三维工件[2]。该工艺成型速率高，原材料便宜，不需支撑等辅助工艺，但成型后对废料剥离费时且浪费严重，不能制造中空结构的构件。

2.2 熔丝沉积成型（FDM）

熔丝沉积成型（Fused Deposition Modelling，FDM）技术，又称为熔融挤出成型工艺。该技术以ABS、PC、蜡等为原材料，通过喷头喷出熔融的材料，以快速冷却的方法将材料一层层牢固连接在一起[3]。FDM技术是根据LOM技术与SLA技术改进而成，改进了LOM技术表面精度差以及SLA技术原材料种类少的缺点。该技术原理简单，对使用环境没有限制，打印出的成品不仅强度高，韧性还很好，但是打印速度较慢。

2.3 光固化成型（SLA）

光固化成型（Stereo Lithography Apparatus ，SLA）技术，又称为立体印刷技术。该技术为美国在20世纪八十年代后期研制成功，是出现较早以及较早实现商业化的快速成型技术。该技术以光敏树脂为原料，用特定波长与强度的激光照射液体材料表面，使其由点到线，由线到面一层层的固化成为三维实体构件。该工艺技术成熟，加工的工件表面精度高且加工速度快，但SLA系统昂贵，使用成本较高，对使用环境要求也很苛刻。

3 3D打印技术的优势

3.1 产品多样化

对于传统的生产制造方式，工件的形状越复杂，生产成本就越高。但对于3D打印技术而言，无论多么复杂的工件，都可以快速、准确地打印出来。在建筑领域，建筑师用3D打印机打印出建筑模型，该方法既快速又环保而且制作精美，完全符合建筑师们的要求;在考古领域，专家们对原化石进行扫描，利用3D打印技术制作出合适的化石模型，该模型可以放大也可以缩小，更加适合研究;在食品领域，企业用3D打印机打印出各式各样的食品，顾客们还可以按照自己的需求打印食物，深受广大顾客的青睐。由于3D打印技术可以制造复杂的物品而不增加成本，打印出的产品也越来越多样化，该技术很可能改变计算制造成本的方式。

3.2 材料利用率高，降低成本

传统减材制造方法原材料的利用率仅为7%，而3D打印技术突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，3D打印仅在需要的地方堆积材料，材料利用率接近100%，不仅节约了时间更极大节约了材料和制造成本。

3.3 生产快速

3D打印机可以按需打印。客户将需求发送给企业，企业进行三维设计，设计完成后利用3D打印机可快速生产出客户需要的工件。3D打印技术还可以使工件一体化成型，因此不需要组装，降低了组装与运输成本。

3.4 提高复杂零件使用性能

对于复杂零件的生产，通过传统的生产方式往往很难完成，从而影响零件的使用性能。例如，反应器在实际使用的过程中会产生大量的热量，在反应器内部加上网格结构则有利于散热，传统的零件生产方式很难生产出零件内部的网格结构，而且费时费力，生产成本还很高，而利用3D打印技术则可以很容易完成。

3.5 方便设计，拓展创新空间

3D打印技术可快速、精准地将建筑师的设计理念转为实体建筑模型，使得建筑设计的表现更加具体直接。传统制造技术的产品形状固定，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，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的创新设计空间，极大地发挥设计者的想象力。

3.6 提高模具开发成功率

3D打印无论在成本、速度和精确度上都要比传统制造方法好很多，具有高度柔韧性、个性化和实体自由成型特点。使其在零件的快速制造中应用日益广泛。应用3D打印技术可快速制造模具，在最终生产模具开模前，先进行产品的试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次性成功率，为企业节约开发时间与成本。

3.7 实现绿色可持续制造模式

3D打印能使部件一体化成型，减少了零件组装的步骤，缩短了供应链，减少了劳动力成本与运输成本。减少了这些中间环节，污染也随之减少，生产也就更加绿色环保。与传统制造机器相比，3D打印机占据的空间更少，而且3D打印机制造金属时产生较少的副产品，材料利用率高，污染少。

4 结语

虽然3D打印技术具有很多的优势，但3D打印技术仍存在打印的尺寸有限，设备价格昂贵，专业人员操作技能不够成熟等问题。随着技术的发展，未来的3D打印应用领域将不断扩展延伸，3D打印速度、尺寸也将大大提升，生产出的工件色彩也将更加绚烂与逼真。未來的3D打印技术将对装备制造技术产生变革性影响，带来重大装备结构设计的革命，将会变革生产制造模式和维护保障模式。

【参考文献】

【1】周海江.机械制造及自动化中的3D打印技术[J].南方农机，2019，50（24）：157.

【2】陈俊言.浅析3D打印技术的应用及发展趋势[J].数字通信世界，2018（02）：149+280.

【3】叶东东，汪焰恩，魏生民.三维打印机控制系统设计与精度分析[J].工具技术，2014，48（02）：38-43.