3D打印技术及应用趋势分析

张宇 内蒙古机电职业技术学院

一、3D打印的原理

3D打印作为目前工业制造领域的前沿技术，集合了多种技术，包括分层制造技术、机械工程、数控技术、CAD、激光技术、逆向工程技术、材料科学等，可以直接、快速、自动、精确地将三维设计模型转变为具有定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种低成本的高效实现手段。3D打印技术的基本原理是断层扫描的逆过程。断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印则是通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体技术，因此3D打印制造技术又被称为“增材制造技术”。

二、3D打印的关键技术

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。

1.三维喷绘打印技术。三维喷绘（3DP）技术是现阶段最为常用的一种3D打印方式。所用设备为标准喷墨打印机，可以适配多种粉末打印材料，例如陶瓷粉末、塑料粉末以及骨粉等。预设程序、建立模型后，在计算机指令控制下，先铺一层粉末，然后移动喷嘴，通过喷嘴将粘合剂喷到制定的区域，使粉末状的材料粘结在一起。完成第一层打印后，可以得到产品的雏形，然后继续重复上述步骤，在多次铺粉、喷涂、粘结以后，最终得到所需的产品。如果需要打印彩色产品，可以选择相应颜色的粘结剂。

2.激光光固化技术。SLA以光敏树脂为原料，这种液态材料在一定波长（λ=325nm）和强度（E=30mw）的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦-镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。

3.SLS选取激光烧结技术。SLS工艺中使用到的设备有激光器、扫描镜、平整辊等。技术流程为：首先在作业台上铺上一层合适厚度的粉末材料，可以选择聚碳酸酯粉末、尼龙粉末、陶瓷粉末，其最大的独特性是能够使用金属粉末直接制造金属制品。然后预设程序、读取模型，在计算机控制指令下，CO2激光器会发出激光束，并通过扫描镜照射作业台上的粉末材料。由于激光具有极高的能量，会对粉末材料进行烧结，首先形成产品的外部轮廓，然后继续铺粉，由外向内的烧结粉末，经过多次铺粉、多次烧结后，最终形成所需的产品。相比于上述几种3D打印方法，基于SLS工艺的选区激光烧结技术工艺流程相对简便，而且产品制作的速度较快。但是这一技术也存在缺陷，例如打印件表面粗糙，由于SLS工艺所使用原材料为粉末状的，原型制作过程是由材料粉层加热熔化实现逐层烧结，因此原型表面为粉粒状，表面质量不高。

三、3D打印技术应用趋势

1.医学领域。3D打印技术在医学领域的应用不亚于一场革命，利用3D打印技术可实现人体器官、齿形矫正、手术导板、骨骼的打印，其中打印出的骨骼，可暂时代替人体骨骼支撑，同时在受损骨骼康复后，打印骨骼可以自然无害溶解。此外，3D打印技术还可打印软骨组织，如半月板，目前该应用在美国已经逐步普及。随着3D打印技术的进步、各类3D打印医疗应用的增加、定制化3D打印医疗产品的增长，以及3D打印技术对患者康复和护理方面提供的便利，3D打印技术在未来医学领域的应用前景极其广阔。

2.航空领域。3D打印技术在航空领域可用于先进机械零部件的加工制造，实现减轻重量、增加使用寿命的作用。传统制造方法已经将零件减重发挥到了极致，但是运用3D打印技术对复杂零部件的结构进行拓扑优化，通过将复杂结构重新设计为简单结构，可在保证性能的前提下减轻零部件重量，使零件应力呈现出合理化分布，减少疲劳裂纹产生的危险，延长零部件使用寿命。以我国生产的大型客机C919所使用发动机LEAP-1C发动机为例，该发动机运用3D打印拓扑优化后，燃料喷嘴相比传统燃油喷嘴在多方面取得了进步，部件数量上由20件降为1件，整体重量减轻25%，使用寿命提升5倍以上。

3.考古领域。3D打印技术可以助力文物修复或重建，破损古文物经3D扫描，完成数据采集和处理，即可建立模型并打印，具备操作简单、成型快速、还原度高等诸多优点。早在2014年，重庆大足石刻景区就曾应用3D打印技术对千手观音像进行修复。相比通过手工铸模修复，3D打印技术可以提供文物的精准数字模型作为参考，减少因高频次触碰文物造成二次损坏，还可以为修复工作提供多种方案尝试的可能性。随着3D打印技术应用的不断成熟，3D打印与3D扫描技术在考古研究、文物保护中将发挥更大的价值。

3D打印技术在理论上较为完备，技术工艺上仍在不断创新突破。作为一项革新的技术，3D打印改变了人们的思维方式，给科学研究提供了强有力的工具，并有望创造出巨大的社会和经济效益。目前，3D打印技术已在医学领域、航空航天领域、考古领域得到广泛应用，未来随着新技术的进步、新材料的突破，3D打印技术将持续深入各行业、全领域，促进国防、医疗、民生、教育等领域科技进步，为人类的生活、工作、健康等提供更广阔得空间。