3D打印技术及应用趋势研究

杨 勇

（南阳职业学院，河南 西峡 474500）

0 引言

3D打印技术又称为“增材制造”技术，它是以数字模型为基础的一种快速成型技术，3D打印技术在很多领域都有广泛应用，如工程建筑、汽车、导航、教育等等。近年来，我国3D打印技术逐渐发展成熟。2020年5月5日，我国一艘搭载着3D打印机的运载火箭长征五号成功发射，这也是世界上首例在太空中进行3D打印技术实验的案例，标志着我国在此领域已经位于世界前列。3D打印技术发展前景广阔，许多国家都在进行这方面的开发和实验，由此可见，3D打印技术在未来的发展已形成不可阻挡的趋势。

1 3D打印技术目前存在的主要问题

1.1 3D打印材料单一

3D打印技术有一个很重要的制约因素是材料问题，材料单一性让3D打印技术只能在某些特定环节内使用，亦或投入到尖端市场，由于其技术使用的高额支出更是制约了其发展空间，而面向大众的中低端市场则选择使用工厂流水线式生产。因为材料的单一从某种方面阻止了3D打印技术的广泛应用，无法展示出3D打印技术其开发和利用价值，让其看起来只是模具化生产模式的进一步开发和转型。目前用于3D打印技术的主要材料有塑料、橡胶和金属等，其中3D打印技术对金属的要求比较迫切，急需在金属领域有突破性进展来打破这个材料单一、消耗量大的局面。

1.2 3D打印的价格不稳定，优势不明显

3D打印技术的主要原理是通过大数据进行计算建模，直接设计出所需物件图示，然后将材料加工立体呈现出来，因其利用现代高科学技术，在材料加工为实际物体过程中误差极小，在进行精密零件制造时具有无法替代的优势。3D打印技术在单件小批量或个性化设计等方面的制造价格与传统制造的价格相差无几，其生产效率却是传统制造的几倍。但在一些特殊领域或大批量生产等方面，成本又相对较高，总体呈现出价格不稳定的问题。因此，在某些方面，目前3D打印技术还不能完全取代传统生产，这也导致3D打印的价格不稳定，其价格优势不能完全表现出来。在传统工业制造中，制作工艺是使用模具统一生产加工，在机械设备使用过程中不可避免地会出现零件损坏和设备零件老化等问题，而单独开模所或重新购置机械设备需要花费大量资金。3D打印技术则没有这样的问题，其操作便利，随时可以打印不同的模型，模型主要由电脑数字化构建，建模成本较低，而且在独特性强的物品生产中也展现出价格优势，有利于赢取市场的位置。

1.3 3D打印操作技术要求高

3D打印技术需要借助数字模拟技术进行生产制造，因此，操作技术对操作者的要求较高，需要用户自身具备一定程度的专业知识或专业技术才能正常投入生产。对于普通用户来说，特别是首次接触3D打印技术的用户，操作难度较大，因为他们往往很难理解操作原理。此外，3D打印技术涉及知识面较广，操作人员需要具备较深厚的知识基础，尤其是涉及大数据技术、数字建模技术和3D打印设备使用等多种技术，从业人员需要对多个领域的知识都有涉猎。针对这种情况，加快培育具备较强理论知识的3D打印专业性人才是重中之重，只有这样才能为未来3D打印技术发展作出铺垫[1]。

1.4 3D打印机型号较少，产品型号缺少统一标准

据报道，目前一共只有6种可以进行多种材料打印的3D打印机，分别是FDM，SLA，3DP，SLS，LOM，PCM。由于目前3D打印技术尚处于发展阶段，所制造的快速成型零件的质量和精度不能达到直接使用的标准，产品型号缺少统一标准，只能作为原型使用，最终还是离不开传统制造。

1.5 3D打印产品数字化模型受到知识产权保护

使用3D打印技术的很多都是现代化艺术品制造业，其取胜关键不是生产规模，而是取决于产品创意，所以对知识产权的原创性要求较高，在创意性产品方面容易面临盗版威胁，会出现模仿者过多，市场产品雷同的状况。同时也对知识产权的管理提出了要求，这是传统制造行业所不会出现的新问题。

2 3D打印技术的应用领域与发展趋势

2.1 3D打印技术的应用领域

目前，3D打印技术应用最广泛的领域是电子行业，在汽车、航空航天、商品机器这些领域也呈现逐渐增长的趋势。2019年，中国3D打印设备产业规模达70亿元，相比2018年增长了28.3%。3D打印技术产业规模的迅速增长，标志着3D打印技术已经成为拉动我国经济增长的重要因素之一。目前，美国仍然是3D打印设备安装的第一大国，其次是日本，虽然我国3D打印技术产业增长速度很快，但是与美国和日本相比仍有较大差距。由此可见，3D打印技术在我国拥有较为广阔的发展空间。

例如，在航空领域，3D打印除了在航空发动机制造上得到广泛应用之外，在解决航空发动机维修的零部件采购以及提升航空维修部门再制造能力和战场应急抢修过程中也发挥着越来越重要的作用。在大数据的背景下，工作人员可以使用精密仪器对损坏部位进行精准定位，及时检测到破损部位，并利用3D打印技术打印出匹配的修复材料，提高维修的精确性，减少人员的工作量，大幅度提高航空维修的效率。航空发动机长期处于高温高压的环境下，零部件极易发生严重磨损，这在很大程度上影响了航空发动机的维修周期以及维修成本。采用3D打印技术制作发动机零部件，可以有效解决航空发动机维修所需备件的采购难题，让航空发动机维修企业快速提升航空设备零部件的制造能力和供给能力。对于小批量需求的航空发动机维修企业来说，3D打印可以有效节约制造成本，缩短维修周期，提高航空发动机维修中零部件再制造能力。在大数据背景下，应用3D打印技术，可以实现数据的共享和及时保修。随着3D打印技术与大数据的深度结合，未来的航空发动机维修过程将呈现自动化发展的趋势[2]。

2.2 3D打印技术未来发展重点

2.2.1 简化生产过程

3D打印技术的“增材制造”可以很大程度简化产品的制造过程，缩短产品制造周期，提高生产效率，降低生产成本。但是随着时间、效率、成本的不断优化，也容易导致产品出现质量问题。提高打印成品的质量，可以让3D打印技术在更多领域得到应用，占据较大的市场份额，这是3D打印技术在未来主要的发展方向。同时，发展还需要解决的重点问题包括模型产权维护、3D打印机设备研发、降低打印价格、优化操作技术、减少材料消耗等，需要在这些方面寻找突破口。

2.2.2 提升材料使用率

相比于传统生产方式，3D打印技术在生产环节能大幅减少生产材料的消耗。传统生产方式常使用车间生产或者流水线式生产，为了避免模具生产出现误差造成产品检测不达标，在生产环节会出现大量被机械切割的“边角料”，材料利用率不高。即使可以对边角料进行回收重熔再投入生产，回收过程也会增大企业生产成本。3D打印技术是直接通过数字建模将材料转化成为物体的技术，这种生产方式具有高精密度、高精简度的特点，能确保所有材料在产品生产中精准使用，材料使用效率高，能从生产环节上大大节省成本，从而增大企业利润，尤其是需要使用稀有材料方面，优势更为突出，因此3D打印技术在高附加值和高精度产品加工生产上有着不可取代的优势[3]。

2.2.3 结合BIM技术模拟建筑展示效果

目前，BIM技术被广泛运用于工程项目管理。BIM技术相比于传统设计图纸模式，能在可视化上做出进一步扩展，通过3D数据建模可以直观地展示出建筑的整体构造，甚至在装修行业也能直接展示预装修效果。BIM技术最大的特征是其整体性、优化性和仿真性，而BIM技术与3D打印技术同样需要运用数字建模技术。工程单位需要进行房屋预设时，往往不能很直观地让客户感受成品效果。将BIM技术和3D打印技术结合，可以直接将BIM建模中的信息直接导入3D打印设备，通过3D打印技术将数据化的建模实体化，让企业和客户能直观感受到预期生产效果，从而提出针对性修改或建设方案，提升交易成功率。

3 结语

综上所述，3D打印技术在许多方面都有广泛的应用，发展空间广阔。同时也存在一些缺陷，因而，相关人员需要围绕材料供应、产品研发、技术应用、提效降本等方面进行重点开发与研究，让3D打印技术为社会各行各业的发展作出更多贡献，为人们的日常生活提供更大的便利。