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摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，已经成为各个研究领域研发必不可少的技术，并为生产制造带来了优越的便利性。
关键词：3D打印；3D打印技术；3D打印材料；3D打印应用
引言
3D打印是一种以可粘合材料比如亚克力材料或粉末状金属为基本加工材料，根据电脑软件生成的数字模型文件(STL文件)为加工制造程序，通过层层叠加构造的方法来生成实体零部件的一种制造成形技术。在工业制造中，三大类制造方式分别为基于增材、基于减材及基于变形。而3D打印则基于增材制造类技术，在某些场合也被称为层式制造技术、快速成型技术、添加成型技术或添加工艺技术。3D打印技术最早出现于20世纪90年代中期，其特定的加工方式，导致它与传统的工业制造生产方式在根本上存在质区别。传统的制造技术是基于减材的制造方式，也称为“去掉型”制造，传统的制造方式是以原材料为基础，通过铣削、切割和磨削的方法，去掉多余的部分得到所需要构造部件的单个零件，将零件连接组合成合格的零部件。
13D打印技术简介
1.13D打印发展历程
3D打印(3DPrinting)起源于19世纪末美国研究的照相雕塑和地貌成型技术[5]。由于其他科学技术发展不均衡的限制,所以只产生了打印技术和核心制造思想。20世纪80年代以前,3D打印技术应用范围有限,打印成果质量一般。直到20世纪80年代中后期,材料堆叠法的出现,和其他学科技术的进步,3D打印才得到了发展和推广,现在已经发展成为国内外研究的热门制造技术。所以3D打印技术也被称之为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。
1.23D打印原理与优势
3D打印技术的核心原理是“分层制造,逐层叠加”。具体来说就是基于计算机数字模型文件,使用可打印的材料(粉末状金属、陶瓷或塑料等)通过逐层打印的方式来构建对象,是一种直接由粉末状或丝材状的原材料直接变为成品的增材制造技术。3D打印技术原理简单易懂,优势突出。3D打印技术跨越了传统工艺制造的锻造、焊接、切割等环节,有利于实现低碳、节能、降耗、环保等功能。同时3D打印的设计是无限的,只要在计算机上可以绘制出的图案,都可以使用3D打印机打印出来。3D打印的快速、直接、精准的加工制造特点,缩短了生产研发周期,提高了工作效率。
2 3D打印材料
19世纪末期，美国将地貌成型技术应用到了照相、塑像当中，这项创新的结果，结合3D建模技术形成了今天的3D打印技术，3D打印技术突破了传统制造工艺条件在复杂形状制造上的技术限制，可是由于3D打印材料和计算机技术的瓶颈限制，早期这一技术并未得到很好的应用和发展。随着3D打印技术的美好应用前景和无限的可创造性，3D打印技术能够很好的加工传统工艺难以加工、甚至无法加工的物体和产品。由于材料科学的迅猛发展，现代3D打印技术的发展，已经突破了单一原材料的限制，同时能够实现多个复杂性的物体和产品的打印实现：（1）材料复杂性，多材料、多颜色、多纹理、多性状的直接熔融制造；（2）层次复杂性，多维度、线到面、面到体的直接熔融制造；（3）功能复杂性，一次性完成复杂功能、复杂结构的制造，并简化装配过程。现在应用的创新材料是：热熔性塑料（聚乳酸等）、光固化材料、金属、石蜡等，各材料的物理特性、化学性能、价格等。
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3 3D打印在电容器领域的应用
电容器是一种能够储藏电荷的元件,具有储能、滤波、充放电等功能,是最常用的电子元器件之一,应用范围广泛。在电容器的研发、生产上引入3D打印增材制造技术是目前研究的热点。美国的加州大学SantaCruz分校和LawrenceLivermore国家实验室的科学家们宣布,他们使用重量极轻的石墨烯凝胶凭借3D打印的方法打印出超级电容。而国内对3D打印电容器目前还未有显著性成果。电容的种类很多,固体钽电容就是其中一种。固体钽电容器体积小、电容量大、性能稳定、可靠性高,在军事通讯和航天等领域应用广泛。虽然整个固体钽电容尚不能直接使用3D打印制造,但在固体钽电容的阳极上应用3D打印是可行的。现有的钽电容阳极的生产方法虽然自动化程度很高,但是存在着一些现有工艺不好解决的问题。例如,阳极结构的不可控导致无法人为控制钽电容阳极块的表面积;压制成型模具与钽粉颗粒有磨损损耗,导致压制成的阳极块性能不达标等等。因钽电容阳极是多孔结构,在一定温度下钽粉会出现自燃现象,可以使用3D打印方法中的DIW浆料直写成型的打印方案来制造钽电容阳极块。该方法无需加热,常温下就可以打印成型。而且使用钽粉与粘结剂配置而成的浆料进行层层堆叠打印,使得钽粉原料不存在摩擦损耗,成本低,制造速度快,便于后期的各种测试验证,并且在保证单体质量下,可以很好地保证钽电容阳极块的孔隙率。另外利用双喷头的打印机还可以制造具有功能梯度结构的阳极块,在相同规格下,可以提高阳极的表面积,从而提高钽电容的功率密度和能量密度。
4 3D 打印技术未来发展方向
海军舰艇 ：海上舰艇的日常维护中必不可免的要跟换小型零件，在备战期间由于海上地理条件的限制，必要零件难以及时送达，利用 3D 打印技术快速制造舰艇零件，可以提升执行任务速度并降低成本。美国海军考虑到成本及海军后勤及现存的漏洞，以及面临的资源约束，先进制造与 3D 打印的应用越来越广，他们设想使用 3D 打印来快速制造必要零部件。如何使用 3D 技术加快这一过程转化是一个重要方向。生物 3D 打印 ：目前生物 3D 打印技术是一个热潮话题，相关的医学研究也在进行当中。部分患者在后天疾病中有会部分骨头坏死或者器官功能不健全的情况，传统医学方法是将他人匹配成功的健康器官移植于患者体内，由于种种原因，有效资源屈指可数，利用 3D 打印技术快速制造器官可有效提高患者存活几率，因此研究如何使得打印件能在体内良好运作是一个重要的研究方向。3D 打印制药 ：通过 3D 打印的药片内部具有许多的细洞，具有很高的内表面积，故能快速的被少量的水融化。这样的特性给那些难以吞咽药片的患者带来了方便。针对病人对特殊药品的要求问题，可以有效地解决一系列药品发潮变质、过期等问题。国际空间 ：在航天领域，宇航员由于在空间站上原材料补给非常麻烦，3D 打印可以制造或者修复日常工具，为太空生活带来了很大的方便。但太空环境与地球环境大不相同，重力影响因素及辐射条件都影响了 3D 打印机的正常使用，所以解决这一类问题也是今后研究的主要方向。
结语
3D打印技术从1986年提出至今，一直是一个热点话题，其应用场合也比比皆是，有关工业方面随处可见它的身影，不仅如此服装业、医学领域和生物领域都有它的踪影。传统3D打印所具有的缺点正是现在所研究克服的问题，要优化3D打印行业必定会向多自由度打印技术靠拢。解决精度、效率及支撑问题会是一直的研究方向。
参考文献
[1]王运精.三维打印自由成形[M].北京:机械工业出版社.2012.
[2]郭日杨.3D打印技术及产业前景[J].自动化仪表,2015（3）:5-8.
[3]王灿才.3D打印的发展现状分子[J].丝网印刷，2012（9）:39-43.
[4]吴陈铭,戴澄恺等.多自由度3D打印技术研究进展综述[C].北京:计算机学报,2018:11-27.
论文作者:魏丹玲
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/13
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