关键词：3D打印；快速成型技术；模具制造
3D 打印技术是近年来不断发展的一项技术，在制造业的发展中起到了极大的促进作用。目前，业界已开展了大量的应用研究，解决了其中的问题，使3D打印技术不断创新发展。本文将介绍3D打印技术的概念及工作原理，并对国际和国内的发展现状进行简要概述，最后分析其优点和不足。
1 3D打印技术介绍
1.1 3D打印技术概念
3D 打印技术从二十世纪90年代起逐步发展起来，在制造业的发展中具有革命性的意义。和传统的制造需原胚和模具的工艺不同，3D打印技术根据计算机绘制出的图像数据，利用打印机里装载的液态或粉末等打印材料，通过计算机绘制的图像数据进行操作控制，使打印材料逐层堆叠起来，最终形成计算机设计出的图形实物。3D立体打印技术本质上是采取光固化和纸层叠等技术的快速成型装置，也是制造业领域近几年迅猛发展的一项新技术，受到了业界的广泛关注。3D打印技术在各种形状的物体的生成、制造程序的简化、产品研制周期的缩短等方面都比传统制造有优势。
1.2 3D打印技术的工作原理
3D打印技术的总体工作原理可以简单概括为：3D打印机接受计算机的设计的数据和要打印的原料，按照程序一层一层打印出来产品。3D打印的技术基础是快速成型技术，根据3D打印所需用材料的不同以及打印时片层生成方式的区别，快速成型技术可以分为三大技术类型：光聚合成型、挤出成型及粒状物料成型。三种技术类型又用到SLA、SLS和FDM等工艺中的一种或多种，三种工艺的使用方向和工艺过程各不相同。下面将对这三种工艺进行介绍：
（1）SLA
SLA是最早使用的快速成型工艺，是一种选择性的固化工艺，主要利用光敏树脂，多用于小型工件的制作，例如概念模型的制作。在打印机的加工树脂槽中加满液态状的光敏树脂，这种树脂便会经激光的照射，迅速发生固化。成型技术的过程是：在液体树脂的液面下放置距离一个截面层高度的能够进行升降的工作台，计算机利用激光束按照这个截面的设计轮廓对液面进行扫描，被扫描过的树脂就被固化，形成薄片。调整升降台的高度，一层一层按照计算机模型要求进行扫描固化，便可完成整个模型的制作。
（2）SLS
SLS称之为粉末材料选择性烧结工艺，它不同于SLA工艺使用的液体树脂，是利用粉末型材料，采用激光器进行烧结堆集，在每一层烧结后铺上另一层粉末材料，由离散点一层一层堆集成三位立体产品。由于此粉末材料可以是塑料粉末、陶瓷粉末及金属粉末等和粘接剂粉末混合在一起，可以用来制作塑料、陶瓷和金属零件的制作。这种打印工艺在制作时间上比较长，受粉末颗粒大小的影响，产品表面比较粗糙。
（3）FDM
FDM工艺是用热熔喷头处理工程塑料、聚酯碳酸等丝状的材料，根据设计产品的轮廓，材料被熔化成半液态状态 ，挤压后在工作台面上形成厚度为0.127mm的薄片，在一层完成后进行下一层操作，直到整个成品全部制作完成。此工艺制作过程比较清洁，操作简便，同成熟的SLA技术相比精度相对较低、表面光洁度差，但其可用多种材料的优势，能够对打印出的产品进行消毒处理，使其广泛用于医疗领域。
2 3D打印技术发展现状
2.1 国际发展现状
世界各国越来越注重加强科技投入，增强研发水平，从而争取在国际领先技术的一席之地。3D打印技术是最近发展较快，具有革命性的新技术，世界强国在此领域无论是打印技术还是材料上都取得了卓越的发展。
美国从政府角度鼓励和积极推广3D打印技术的应用，在2013年给予Americamakes联盟的资金支持多达8900万美元，以用于鼓励增材制造产品的研发。在应用领域，3D打印技术已经在军工领域和制造领域获得巨大的进步，得到了广泛的使用。比如在海军军舰上，3D打印机已成为必备品，用于快速打印舰艇零部件，节约时间，优化作战装备。NASA通过3D打印完成了首台成像望远镜所需的绝大部分元件，如望远镜的外管及挡板、光学镜架等。同传统的制造模式相比，3D打印所需的零件只需原来的1/10-1/5，大大节约了时间，以低成本、高效率、小批量生产的部件，实现了结构复杂、做工细致的产品设计。在商业模式上，美国3D Systems和Stratasys两家公司分别通过收购具有3D打印技术专利的Z Corporation公司和具有打印机行业巨头之称的惠普公司，成为了此领域的龙头企业，也获得了丰厚的利润。
在德国，3D打印技术被3D打印技术联盟进行推广与宣传，使其在国际上位于领先排头的地位。通过PPP项目模式，Fraunhofer增材制造联盟每年配备数千万研发资金，研究的成果在联盟企业中进行使用，使研发和实际应用得到很好结合。德国民间积极推广此项技术，将通过3D打印出的假肢提供给残疾人。
俄罗斯除了将3D打印技术应用于宇宙卫星、军用直升机等零部件的打印外，是首个在核能领域应用此项技术的国家，自行研发了金属粉末材料。在打印机的研发上也取得了成果，如工业级3D打印机和磁性3D生物打印机，能够用来打印工业需要的产品和在零重力环境中和太空中使用。
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除此之外，英国、韩国、欧盟等其他国家也在教育领域积极推广，在研发、增材制造、航空等都投入巨资，加强研发和应用。
2.2 国内发展现状
在研发领域，我国3D打印技术最开始是在清华大学、华中科技大学等大学中开展研究。清华大学着重研究了现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等；华中科技大学研制了HRP系列成型机和成型材料。通过若干年的发展，我国在金属构件打印技术上已处于世界领先地位。随着国家实施科技强国的战略，各高校、企业与研究机构更是加强自主创新能力，加大3D技术平台建设的力度，提出了计算机、机械、材料、生物等多个学科联合开展研究的规划，增强3D打印技术研发能力，促进完整产业链发展。
在应用领域，我国在医疗领域已进行了使用。在一次手术中，医生根据病人情况，利用3D打印技术设计了病人缺损颅骨的形状，并运用钛金属网，帮助病人重建缺损的颅眶骨，然后打印出缺损的左“脑盖”，帮助因坠楼而左脑盖被撞碎的46岁农民恢复形象。北京大学利用3D打印脊椎，替换病人受损的脊椎。打印出的脊椎不需要太多的“锚定”就可以跟周围的骨骼相结合，利用打印脊椎上的微孔洞，帮助骨骼生长，使骨骼和替换的脊椎能够紧密相连。
在市场领域，中国的3D打印技术的市场规模已由2012年的10亿元增长到2014年的50亿元。在南方，越来越多的民营企业投入到3D技术的应用和推广中，他们深入到企业、学校进行3D打印技术的宣讲，提供创意设计图、快速成型、模具制造等服务平台。
3 3D打印技术的优势和不足
3.1 3D打印技术的优势
3D打印技术作为近年来在制造业领域正在迅猛发展的一项新技术，同传统产品制造相比，其优势主要体现在能够减少主要成本、缩短产品制造时间和材料组合、产品设计独特等方面。
(1)减少主要成本。我们知道，原来传统的产品制造过程，如果产品的形状复杂，投入的设计、材料等成本高昂。一个3D打印机能够打印简单或者复杂的物品，使得各部件一体化成型，而不需要额外增加成本，省去了传统制造的磨具、组装等过程。美国首台成像望远镜的3D打印技术，就比原来传统制造省去了许多部件的组装。减少成本的另一方面是，在传统制造金属产品时会有不合格的副产品，只能废弃，形成浪费。3D打印出的产品只限于产品本身的模型所用材料，没有多余的耗费，从而节约了原材料成本。
(2)缩短产品制造时间。传统的产品制造，需要客户给厂家提供设计图纸，然后厂家按照图纸制造出模型，经客户审核后，再进行生产，制造时间长，如果在异地，还有产品运输的时间问题。而随着3D打印技术的推广，厂商可以根据客户的需要，按照客户提供的设计产品，就近提供3D打印机直接进行产品打印成型，省去了运输的时间及产品制造的时间。
(3)可以多种材料组合在一起。在传统产品制造上，很难将各种材料结合在一起，3D打印技术的FDM就可以将工程塑料、聚酯碳酸等丝状的材料送到热熔喷头下，熔化形成新的材料，打印出的产品也是种类多样、色调丰富。
(4)产品设计独特。传统制造的产品由于模具、材料的限制，其加工出的产品形状固定，一种机器只能制造特定的部件和模具。3D打印技术已经可以按照人们的需要或者想象，设计出各种形状，获得特定用途的产品。例如：细胞打印、假肢、假体眼球、汽车等等。
3.2 3D打印技术的不足
3D 打印技术的研究和应用越来越广泛，但是在发展的过程中也有瓶颈与不足。
(1)3D打印机的造价昂贵。大多桌面级的打印机售价约2万元，不考虑材料费用，广泛走进普通家庭目前还做不到。
(2)3D打印的精度和效率不尽人意。虽然3D打印机能够打印不同的产品，但是打印的效率远远不能满足大规模、大批量的产品生产。由于技术原理的限制，打印精度与速度之间还存在着矛盾，使得层层连接的产品不如传统制造的产品。
(3)材料方面价格差异大，种类少。目前用于3D打印的材料价格高低相差很多，低的每公斤几百元，贵的四万元一公斤。对于消费者来说，物美价廉的产品最受欢迎，如果3D打印的产品价格超过预期，就很难得到广泛的使用。目前各国研制的材料有树脂、塑料、金属等，对于有需求的不锈钢、镍基合金、银等材料，还需要尽快地研究出打印技术。
(4)其他的不足，如：3D打印技术中，产品设计需要用到的CAD画图技术、在应用领域和政策方面都需要国家的支持。
4 小结
3D打印技术及材料的研发已经有了迅速的发展，在国际国内的应用上也越来越广泛，例如：在航空领域和医疗领域的应用已越来越成熟。个性化定制、大批量生产将是以后的需求和生产模式，随着应用领域的扩展，对3D打印技术的要求，材料的要求也将有新的标准。因此，业界应注重发展过程中的技术积累和问题研究，不断解决问题和探索未知领域，使3D打印技术不断持续发展，为人类造福。
参考文献
[1].赵阳. 3D打印技术及应用[J]. 电脑知识与技术:学术交流, 2013(6):1536-1538.
[2].李小丽, 马剑雄, 李萍,等. 3D打印技术及应用趋势[J]. 自动化仪表, 2014, 35(1):1-5.
[3].张学军, 唐思熠, 肇恒跃,等. 3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 材料工程, 2016, 44(2):122-128.
[4].王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高新技术企业, 2012(26):3-5.
[5].王忠宏, 李扬帆, 张曼茵. 中国3D打印产业的现状及发展思路[J]. 经济纵横, 2013(1):90-93.
论文作者:刘煦
论文发表刊物:《科技中国》2018年1期
论文发表时间:2018/7/18
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