張艷琴

摘 要：本文簡要介紹了3D打印的發(fā)展和技術(shù)原理，介紹了3D打印技術(shù)在教育、制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑以及個性化產(chǎn)品創(chuàng)作等領(lǐng)域的應(yīng)用和最新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印；原理；應(yīng)用；個性化設(shè)計

快速成型技術(shù)是根據(jù)三維數(shù)據(jù)模型通過材料添加方式直接制造實物模型的技術(shù)，其最大特點是成型過程不受零件復(fù)雜程度的限制，因而具有很大的柔性，特別適合于單件、小批量零件和批量生產(chǎn)前樣件的制造。但是由于受工藝本身的限制，RP（又稱3D打印技術(shù)）方法制造的零件一般精度和強度較低，很難將其作為最終零件或模具使用，通常只能作為樣件或模具母模。RP技術(shù)是快速制造技術(shù)的一種形式，它采用分層加工疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體。3D打印技術(shù)是一種綜合性的應(yīng)用技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模、機電控制、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的技術(shù)。

1 RP（3D打?。┘夹g(shù)原理

RP技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動，快速制造任意復(fù)雜形狀的三維物理實體的技術(shù)，一本書可以看成由若干頁紙（二維薄片）組成的立方體（三維實體），通過離散三維數(shù)字模型，獲得材料堆積的路徑、限制和方式，依據(jù)離散所得的數(shù)據(jù)堆積材料，制造三維實體，這種技術(shù)具有高度柔性、高度集成、快速性和降維制造等特點。

1.1 三維建模

通過goSCAN之類的專業(yè)3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設(shè)備獲取對象的三維數(shù)據(jù) ，并且以數(shù)字化方式生成三維模型。也可以使用UG＼PROE等三維建模軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。

1.2 分層切割

由于描述方式的差異3D打印機并不能直接操作3D模型， 當(dāng)3D模型輸入到電腦中以后，需要通過打印機配備的專業(yè)軟件來進一步處理.即將模型切分成一層層的薄片，每個薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規(guī)格決定。

1.3 打印噴涂

由打印機將打印耗材逐層噴涂或熔結(jié)到三維空間中，根據(jù)工作原理的不同，有多種實現(xiàn)方式。比較流行的做法是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末，如此反復(fù)?；蚴峭ㄟ^高能激光融化合金材料，一層一層地熔結(jié)成模型。整個過程根據(jù)模型大小、復(fù)雜程度、打印材質(zhì)和工藝耗時幾分鐘到數(shù)天不等。

1.4 后期處理

模型打印完成后一般都會有毛刺或是粗糙的截面，這時需要對模型進行后期加工。如固化處理、剝離、修整、上色等等，才能最終完成所需要的模型的制作。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

2.1 3D打印的教育應(yīng)用

3D打印為教育行業(yè)打開了一扇新窗口，一些教育機構(gòu)和組織正在研究、探索如何將該技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)和學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅可以享受到這種最新潮技術(shù)輔助教學(xué)的便利以及各種創(chuàng)新用法。還可以此作為促進他們學(xué)習(xí)設(shè)計技能的推動力，更會對他們的技術(shù)素養(yǎng)和未來的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。美國弗吉尼亞大學(xué)的學(xué)生通過3D打印技術(shù)制造出一架模型飛機并成功試飛，飛機的所有零部件都是通過3D打印制造的。 美國國家科學(xué)基金會NSF的數(shù)字圖書館項目提供了很多3D動物和器官結(jié)構(gòu)模型，包括無脊椎和脊椎生物，很多是已滅絕生物。該項目的參與者正在掃描并打印復(fù)制古人類化石。哈佛大學(xué)博物館的研究人員也在利用計算機為收集到的殘缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出復(fù)制品。

2.2 航空、汽車和電子制造領(lǐng)域

3D打印技術(shù)適應(yīng)用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料昂貴的結(jié)構(gòu)制造。因此在航空、汽車和電子制造領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模具鑄造的原型制造。歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。波音公司利用三維打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機零部件。2011年，英國南安普頓大學(xué)工程師使用3D打印技術(shù)制造出世界首架無人駕駛飛機。在汽車制造行業(yè)，3D打印技術(shù)多用于制造汽車的零部件。在電子制造方面，我國國內(nèi)多所高校開展了3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)，中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

如果有人因交通事故，需要更換鈦合金的人造骨骼，以前只有大、中、小三種型號，可用而不適用。通過CT掃描獲取患者的圖像數(shù)據(jù)后，利用3D打印機打印出百分之百符合需求的人造骨骼。如今，3D打印的骨植入物、牙冠、助聽器已經(jīng)存在于世界各地成千上萬的人體內(nèi)?？茖W(xué)家正在嘗試用3D打印機直接打印活性組織和新器官。如果變成現(xiàn)實，器官捐獻將不再需要，人將擺脫疾病、殘疾。2009年，美國ganovo公司首次使用3D打印技術(shù)制造出人造血管。2010年澳大利亞Invetech公司和美國ganovo公司合作，嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官。英國赫瑞瓦大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)公司合作，開發(fā)出一種真空閥門式3D打印技術(shù)，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細(xì)胞范圍，這一突破使得利用人類胚胎干細(xì)胞來打印移植用于人體組織和器官稱為可能。

2.4 建筑工程領(lǐng)域

3D打印技術(shù)日益完善，不僅可以打印小件物品，這項技術(shù)業(yè)已沖擊到傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。在建筑行業(yè)里，設(shè)計師已經(jīng)接受了3D打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，而且制作精美。完全符合設(shè)計者的要求，同時能節(jié)省大量材料與時間。可應(yīng)用于建筑模型風(fēng)洞實驗和效果展示。2011年3月，materialse 公司打印出一個微細(xì)的工廠模型，植物燃?xì)夤?Linde AG的微縮工廠縮小模型被完全逼真的打印制作出來。世界上首臺大型建筑3D打印機用建筑材料打印出高4米的建筑物，打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)粘合物，在粘合物上噴撒沙子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過一層層的粘合物和沙子結(jié)合最終將形成石質(zhì)建筑物。這種3D打印機制造建筑物的速度比普通建筑方法快4倍并且減少一半的成本，幾乎不浪費材料，對環(huán)境十分環(huán)保，它能夠很容易地打印其他方式很難建造的高成本曲線建筑。

2.5 個性化消費領(lǐng)域

獨一無二具有巨大的吸引力，個性化的產(chǎn)品會逐漸成為市場主流。這是一個廣闊的市場。3D打印最吸引人的地方就是可以按照我們自己的想法生產(chǎn)物品，比如手機外殼、珠寶飾品、服飾、鞋類、創(chuàng)意作品、人的三維模型等，定制化將成為常態(tài)。3D 打印技術(shù)可以打印各種日常小模型，這些模型不同于大批量的流水化產(chǎn)品，它可以完成隨心所欲的個性化設(shè)計。2011 年，University of Exeter 的研究人員設(shè)計了一臺可以打印巧克力的 3D 打印機。紐約一家創(chuàng)意消費品公司通過在線征集用戶的設(shè)計方案，以 3D打印技術(shù)制成實物產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品。另外，BCC報道3D打印機打印出個性化3D巧克力。

3 D打印國內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展面臨的問題

自上世紀(jì) 90 年代起， 我國的科研機構(gòu)也已經(jīng)開始研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的3D打印機，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、 西安交通大學(xué)等高校都取得了不俗成績，基本與西方發(fā)達國家處于同一水平，研制出了多種類型的3D打印裝備和材料。其中，北京航空航天大學(xué)率先研發(fā)出飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成型技術(shù)，這是國際上3D打印領(lǐng)域內(nèi)的重大突破。但是受制于材料、成本、制造精度等多方面的因素，3D打印技術(shù)不可能替代傳統(tǒng)制造業(yè)，只是制造業(yè)的一個完美補充。3D 打印機的普及還面臨著很多困難，但隨著技術(shù)的不斷進步，很多我們現(xiàn)在擔(dān)心的問題都會迎刃而解。

參考文獻

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