浅谈3D打印技术的原理及应用

摘要：在科学技术飞快发展的今天，打印技术随处可见，如今，一种新型的打印技术，或者说一种快速成型技术逐渐进入人们的视野——3D打印。3D打印作为一种降低工件制作难度的技术被人们所推崇。近20年来，3D打印技术取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被大量使用。随着工艺、材料和装备的日益成熟，3D打印技术的应用范围不断扩大，从制造设备向生活产品发展。

关键词：3D打印；新型技术；制造

一、 3D打印技术介绍

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。打印原理每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，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。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

二、 3D打印的优势

（一） 制造复杂物品不增加成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本，制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式；产品多样化不增加成本，一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品，传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料；无须组装，3D打印能使部件一体化成型，传统的大规模生产建立在组装基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多，3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装，省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链条越短，污染也越少。

（二） 按需打印

即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。设计空间无限，传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

（三） 零技能制造

传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。减少废弃副产品，与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。精确的实体复制，数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

三、 3D打印的意义

（一） 使制造工艺发生深刻变革

3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。例如，在航空航天工业领域中应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成的，90%的材料被切除掉，这些切削材料对于飞行器的制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务集团（EADS）研究人员指出，这些用钛粉末打印出的部件與一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐用，但节省了 90% 的原材料。

（二） 使制造模式发生革命性变化

3D打印将改变以第二次工业革命为代表，以流水线为代表的大规模生产模式，使产品生产向个性化、定制化转变。3D打印机的应用将缩短产品推广的时间，消费者只需下载设计图，在数小时内通过 3D打印机就可将产品“打印”出来，它不需要大规模的生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件，这是所谓的“社会化制造”。社会化制造的另一个优势是通过制造资源网络和互联网快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网络，是实现敏捷制造、精益制造和可持续发展的一种生产模式。

四、 总结

3D打印虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。同时3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。

参考文献：

[1]刘凯，张小莹.浅析3D打印技术原理及发展优势[J].今日湖北（下旬刊），2015，（7）.

[2]张秀萍，梁杰.3D打印技术及应用趋势[J].现代制造技术与装备，2015，（3）.

[3]常昱茜.3D打印技术的优势分析及应用范围[J].科学导报，2016，（4）.

作者简介：

汤裕，浙江省杭州市，浙江农林大学。