3D打印技术的应用与发展

3D打印技术的应用与发展

张建

东莞市电子科技学校523710

摘要：被称为“带三次工业革命重要标志之一”的3D技术越来越多的走进了人们的生活当中。这项技术是一项具有工业革命意义的高新制造技术，代表了世界制业最新发展趋势。3D技术的应用对于加快制造业发展和推进信息化和工业化融合有着重要的意义，对于促进工业转型升级有着引领作用。本文在对3D技术和产业的发展进行了研究。

关键词：3D打印；新材料；数字化；发展趋势

引言

3D打印，又称为增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命的重要标志”，以其“制造灵活”和“节约原材料”的特点在制造业掀起了一股浪潮。近年来，随着3D打印技术的逐步成熟、精确，打印材料种类的增加，打印价格的降低，3D打印得到了快速发展，应用领域不断增加，不仅在机械制造、国防军工、建筑等领域得到广泛应用，也逐渐进入了公众视野，走进学校、家庭、医院等大众熟悉的场所，在教育、生物医疗、玩具等行业也得到了广泛关注及应用，作为教育工作者，本文将在介绍3D打印的原理、优势、应用现状的基础上，重点探讨3D打印在教育领域的角色及应用模式。

一、3D打印技术概述

(1)3D打印有两种定义，狭义指“MIT开发的以粉末为基础的制造技术”。广义上指所有的增材制造技术（AdditiveManufacturing），添加性制造技术有很多种，MIT开发的3D打印技术只是其中一种。添加性技术有：a.以高分子聚合反应为基本原理：激光立体印刷术（Stereolithography，SLA），高分子打印技术（PolymerPrinting），高分子喷射技术（PolymerJetting），数字化光照加工技术（DigitalLightingProcessing），微型立体印刷术（MicroStereolithography）。b.以烧结和熔化为基本原理：选择性激光烧结技术（SelectiveLaserSintering，SLS，），选择性激光熔化技术（SelectiveLaserMelting，SLM），电子束熔化技术（ElectronBeamMelting，EBM）。c.以粉末-粘合剂为基本原理：三维打印技术（ThreeDimensionalPrinting，3DP）d.熔融沉积造型技术（FusedDepositionModeling，FDM）e.层压制造技术（LayerLaminateManufacturing，LLM）f.气溶胶打印技术（Aerosolprinting）g.生物绘图技术（Bioplotter）。每一种添加性制造技术的具体原理都不一样，但是主要都是"分层制造、逐层叠加"的思想制作完成物品。

(2)3D打印技术的起源

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，1986年，CharlesHull开发了第一台商业3D印刷机。1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功。中国称3D打印是上上世纪的思想，上世纪的产品，这个世纪的市场。

二、3D打印技术的原理

3D打印机的原理与普通打印机的一样，区别是其使用的打印材料-“墨水”为真实的材料。3D打印整个过程可以看做一个“积分”过程，对物体在电脑建模，把不规则的物体划分成厚度为无限小的薄片，薄片的厚度及平面方向的分辨率以像素每英寸或微米计算，一般为100微米，也有部分打印机可以打印出16微米薄的一层。切片后，利用电脑建模中每一层的三维坐标，用“积分”的方法打印物体。每一层的打印过程分为两步，首先喷洒特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒“墨水滴”，其直径通常为50到100微米，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态，这样不断交替，慢慢的这个物体就一层一层的成长起来了。完成后，要处理掉物品周围沾满的粉末，这是可以循环利用的，再涂上增强硬度的胶水，制作完成。3D打印通常采用数字技术材料打印机。STL文件格式是设计软件和打印机之间协作的标准文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

三、3D打印技术的未来发展方向

正如很多科学前沿文章描述的3D打印技术――这是一种新型的增材制造方式，和以住触动世界的生产方式不一样，这一次预示着第三次工业革命的开始。我们可以从以下五个方面来一窥其势：

（1）目前3D打印速度和效率不高，不利于其普及应用，随着制造工艺的改进，打印速度和效率会有很大程度的改观。

（2）目前的3D打印机，以单喷头为主，一次只能打印一种材料。随着技术的成熟，材料更加多样化，也可以打印几乎所有的颜色。

（3）设备成本大幅下降。价格从数万元降到几千元，到那时，每个人都买得起，家家户户都可以拥有自己的3D打印机。

（4）打印精度更高，表面质感更好，打印出来如同工厂生产般精致，可以直接使用。

（5）使用体验更简单易用，如针对家庭等民用市场的3D打印机，会具备更家电化的外观，操作上也会更简单，就像操作微波炉、电饭煲一样方便。

四、3D打印技术的应用

目前3D打印技术支持多种材料，可以广泛应用在工业设计、建筑、家具、航天、医疗和教育等各个领域，其主要具有以下应用特点：

4.1模具加工与机械制造如今，3D打印技术已经广泛应用于机械模具的设计与加工，如图2A所示。相对于传统制造技术来说，3D打印技术不需要任何模具或任何机械加工，既省工又省料，如美国F-22猛禽战斗机在制造过程中会大量使用钛合金构件，如使用传统的整体锻造方法，最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，几乎不产生废料，大大节省了原材料的浪费，降低了生产成本。此外，也可利用3D打印技术实现个性生产，满足人们的少量和复杂形状的个性化需求。如个性化艺术家具的定制和专属个性空间的打造（如图2B）。

在建筑行业，2014年8月，在上海青浦张江高新园区，盈创建筑科技有限公司用3D打印技术24小时打印了10栋房屋（如图2C、2D）并交付使用，相关建筑指标均达到国家建筑质量标准，开启了3D打印建筑的新篇章，将来更有望使用3D打印技术建造整栋别墅。

在航天方面，美国NASA以及国外的一些航天公司已经就3D打印技术在航天上的应用展开了尝试，2014年第一台3D打印机在国际空间站上安装成功，并打印出扳手等机械部件，这台打印机由MadeinSpace公司设计制作，该公司是世界首家研究零重力下3D打印技术的公司。而且3D打印为按需施材，减少了材料的浪费，从而降低了生产成本。

4.2生物医疗3D打印技术与医学的结合堪称医学史上的创造性举动。在生物医学领域，已开始被应用于手术分析策划、假体植入物的制造、细胞或组织打印等方面。

早在2011年，德国科学家利用3D打印技术成功研制出了一种人工血管（如图3A），该项目有望被用于人体试验和药物试验。2014年，UniversityCollegeLondon的研究人员利用生物“墨水”打印出人造耳朵（如图3B），可用于外科整形。目前这种3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省脑科医院利用3D打印颅骨为脑积水患儿缩脑，完成全球首例“全脑缩小塑形”手术。2.3考古文物复制3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时，需要使用3D扫描仪扫描破损文物，完成数据采集，并处理数据，建立相应的模型之后进行打印。在电影《十二生肖》中，先是对兽首进行三维扫描，再使用3D打印技术打印了兽首的复制模型，精度和相似度令人赞叹，且不需后期加工打磨，相信在不久的将来，随着3D打印技术的不断发展改进，3D打印技术复制文物的精度定会上升到这个高度，将不再需要后期处理。

4.3教育行业3D打印技术也为教育的发展开启了新的方向，许多教育机构和组织正探索如何将3D技术应用到教育、教学中。以高职教育为例，

在高职院校中印刷技术专业、数码印刷专业、印刷图文信息处理以及计算机等相关专业都可以考虑引入3D打印技术。

相关专业引入3D打印技术后，可以将人才培养的目标范围进行延伸和扩大。培养不仅能从事传统印刷设备和数码印刷设备的操作，还能使用3D打印机；不仅能完成传统印刷和数码印刷的印前制作，还能从事3D打印需要的三维建模设计；不仅能从事传统印刷和数码印刷的印刷工艺与生产管理、印刷营销与业务管理，还能从事3D打印设备的控制和生产管理、营销和业务管理的人才。学生就业面更宽广，职业技能更新，更贴合社会发展需要，也必定会推动3D打印设备的发展。另外，3D打印技术可以作为扶持大学生创新创业的一个项目，支持大学生们早日实现创业的梦想，让刚刚走出校园的甚至还在校内的大学生们勇敢地站在科技发展的前沿，直观地感受打印技术带来的影响与进步。

结束语

3D打印技术作为当前社会中一种新兴的技术，具有很多方面的优势和特点。在很多不同的领域当中，3D打印机都能够进行良好的应用，并且在众多实践当中都取得了较为理想的效果。通过3D打印机，能够实现很多传统工艺无法实现的技术。因此，在未来的发展中，3D打印机在生活、艺术、医疗、科技等领域当中，都具有十分广阔的发展前景。

参考文献

[1]肖薇.3D打印机领域中国专利申请状况分析.中国发明与专利.2011.08

[2]余前帆.增材制造――3D打印的正称.中国科技术语.2014.08

[3]沈荣琦.浅谈3D打印技术.行业科技.2012.06