摘 要：近幾年來(lái)，3D打印技術(shù)在全球掀起了一場(chǎng)研究熱潮，文章從3D打印技術(shù)的概念出發(fā)，介紹了3D打印技術(shù)的工作流程，同時(shí)分析了3D打印技術(shù)要進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化所面臨的困難。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；3D打印工作流程；問(wèn)題

1 3D打印技術(shù)的概念

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的快速成形技術(shù)[1]，又稱為增材制造技術(shù)，與我們傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造不同，無(wú)需原胚和磨具，根據(jù)計(jì)算機(jī)生成的三維數(shù)字模型，使用離散材料（如液體、粉末、絲、片、板、塊等）等成型材料，以一層一層打印的形式來(lái)生產(chǎn)三維實(shí)體模型，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，通過(guò)把3D模型分層成為若干個(gè)二維的橫截面，而3D打印機(jī)通過(guò)一層一層堆積的方式把分層的二維的橫截面進(jìn)行打印，最終制造出我們所需的實(shí)物模型，3D打印是近年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的前奏，涉及到材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域。

2 3D打印的工藝流程

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)3D打印方法的研究，3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出“百花爭(zhēng)艷”的局面，不過(guò)，目前用的較多的技術(shù)有：光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、三維打?。?DP）、選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等，盡管他們的成型工藝各有不同，但他們的完整工藝流程大致都包括三個(gè)部分，可分為前處理，3D打印，后處理。

2.1 前處理階段

2.1.1 生成3D模型

利用CAD或建模軟件或通過(guò)三維掃描設(shè)備等來(lái)獲得需要加工產(chǎn)品的CAD模型（即3D模型）；要實(shí)現(xiàn)3D打印，3D模型是前提和基礎(chǔ)，但是，在大多情況下，由于設(shè)計(jì)模型的人在設(shè)計(jì)模型時(shí)并沒(méi)有考慮到3D打印的具體需求[2]，這樣就導(dǎo)致很多3D模型需要經(jīng)過(guò)處理后才能輸給3D打印機(jī)，通常，為了避免打印出的模型無(wú)法正常發(fā)揮功能，我們一般需先對(duì)3D模型作一些修正，然后再把修正后的3D模型打印出來(lái)，目前對(duì)3D模型的修正都是通過(guò)幾何的方式。

2.1.2 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式

轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式就是將經(jīng)過(guò)修正后3D模型轉(zhuǎn)化為STL文件格式，STL文件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且大多數(shù)的商業(yè)軟件均可以輸出STL格式3D模型文件，同時(shí)STL文件是通過(guò)三角網(wǎng)格的方式近似地描述實(shí)體模型的表面。

2.1.3 切片計(jì)算

根據(jù)前面所講，3D打印機(jī)通過(guò)一層一層堆積的方式把分層的二維的橫截面打印出來(lái)，所以我們?cè)龠M(jìn)行開始打印之前，還需要把3D模型切成許多個(gè)二維的橫截面，每一個(gè)二維的橫截面層對(duì)應(yīng)著一個(gè)物理薄層，這就是我們所說(shuō)切片計(jì)算，通常我們是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)切片的，切片的厚度可以由設(shè)計(jì)者決定，可以等厚分層，也可以適應(yīng)性分層，這樣將3D模型變成一系列小單元，這樣就得到了一系列的二維分層切片；而后按照每一個(gè)二維分層切片的輪廓信息，來(lái)形成數(shù)控代碼。

2.1.4 打印路徑的規(guī)劃

打印路徑是最終3D打印機(jī)進(jìn)行打印時(shí)，生成模型的路徑，通過(guò)在由切片計(jì)算所得到的橫截面中填充平行線，然后再由橫截面進(jìn)行截取，再按照一定順序把填充線段連接起來(lái)，就構(gòu)成了打印路徑。打印路徑的優(yōu)化可以提高加工速度，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)。

2.2 進(jìn)行3D打印

3D打印機(jī)打印時(shí)，主要是通過(guò)上述切片及打印路徑信息生成的代碼來(lái)控制整個(gè)打印過(guò)程，通過(guò)從下到上打印出每一個(gè)橫截面并層層疊加，最終形成我們所需的打印模型，在這個(gè)過(guò)程中根據(jù)3D打印機(jī)打印的技術(shù)不同，其具體過(guò)程也會(huì)不一樣，但大致可分為兩大類，一類以熔融沉積成型技術(shù)為代表，熱塑性液態(tài)或固態(tài)材料由動(dòng)力系統(tǒng)送至熱噴頭，由熱噴頭加熱或熔化成半液態(tài)物質(zhì)后，向?qū)?yīng)的坐標(biāo)擠壓出來(lái)，在平臺(tái)上冷卻后形成3D打印截面并將此過(guò)程不斷循環(huán)，最終形成我們所需三維實(shí)物模形，另一類以三維打印技術(shù)為代表，由動(dòng)力系統(tǒng)在加工平臺(tái)上送出定量原材料粉末，打印頭向需要成形的區(qū)域噴出特殊的黏合劑，有噴黏合劑的粉末會(huì)迅速凝結(jié)固化，而沒(méi)有噴黏合劑的粉末就不會(huì)凝結(jié)固化，如此不斷循環(huán)操作直至完成。

2.3 后處理

經(jīng)過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)的物體并不是成品，還需根據(jù)自身的需要進(jìn)行后期加工，來(lái)達(dá)到可以使用的標(biāo)準(zhǔn)。

3 3D打印技術(shù)發(fā)展面臨的問(wèn)題

自從上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)許多高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。經(jīng)過(guò)多年探索，在3D打印技術(shù)上也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，部分技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，不過(guò)，我們也應(yīng)該看到，中國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)還處在初級(jí)發(fā)展階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，同時(shí)也沒(méi)有完全打開應(yīng)用市場(chǎng)，離大眾化的普及還有一段距離，歸納起來(lái)，要想進(jìn)一步擴(kuò)展3D打印產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，還將面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）價(jià)格方面：目前3D打印機(jī)造價(jià)普便較高，即使有公司推出——廉價(jià)的家用3D打印機(jī)，而這種打印機(jī)只能打印ABS塑料，打印成型的工件應(yīng)用范圍窄。另一方面學(xué)習(xí)使用的成本也比較高，學(xué)會(huì)應(yīng)用3D打印機(jī)需要掌握三維建模知識(shí)，才能打印出自己想要的東西，這些都給3D打印的進(jìn)一步普及帶來(lái)了一定的困難[3-4]。

（2）打印材料方面：3D打印的關(guān)鍵在于材料。材料必須擁有許多特性，如凝固迅速等。雖然我國(guó)也研制了一些適合3D打印的材料，但大部分還依賴進(jìn)口，并且材料價(jià)格昂貴。同時(shí)現(xiàn)有的成型材料大多是化學(xué)聚合物，選擇范圍有限，同時(shí)物理特性也較差，這也給其安全性帶來(lái)了一定的隱患。

（3）成品精度方面：目前通過(guò)3D打印技術(shù)制造的成品，其精度大多達(dá)不到所使用的要求，打印效率也不適應(yīng)規(guī)模化生產(chǎn)的需求，而且受3D打印機(jī)工作原理的限制，速度與精度之間存在嚴(yán)重沖突。此外，打印出的產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱加工，其硬度、強(qiáng)度、剛性、耐疲勞性等機(jī)械性能都無(wú)法與鑄件、鍛件相比，同時(shí)目前的打印機(jī)并不能實(shí)現(xiàn)大尺寸零件的制造。

（4）知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題：3D打印技術(shù)成熟之后，由于現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的需求，這些傳統(tǒng)制造流程中受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的各類創(chuàng)意設(shè)計(jì)產(chǎn)品和工業(yè)制品將不可避免地被大規(guī)模盜版，這將引發(fā)新一波知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。

（5）缺乏標(biāo)準(zhǔn)：整個(gè)行業(yè)各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有形成整體戰(zhàn)斗力，同時(shí)3D打印的產(chǎn)業(yè)盈利模式也不明確，也不利于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

此外還有社會(huì)安全問(wèn)題，如犯罪分子可以用打印機(jī)設(shè)計(jì)提款卡、鑰匙、槍支或其他危險(xiǎn)物品等，同時(shí)現(xiàn)有的3D打印機(jī)基本上都采用塑料作為打印材料，這將加重地球的環(huán)境負(fù)擔(dān)，不利于環(huán)境保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然3D打印技術(shù)目前還有許多局限性，但3D打印技術(shù)能夠很好地填補(bǔ)傳統(tǒng)制造業(yè)的不足，所以從中長(zhǎng)期來(lái)看，3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，它將給人們生活帶來(lái)更多便利。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉利剛，徐文鵬.3D打印中的幾何計(jì)算研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2015（6）：1243-1245.

[3]邱青松，曾忠.3D打印技術(shù)的優(yōu)越性與局限性[J].印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（2）：20-21.

[4]王賢勇.3D打印行業(yè)新情況及待解決問(wèn)題[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2015（4）：239-240.

作者簡(jiǎn)介：尹生妹（1984-），女，江西吉安市人，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：講師，研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用，數(shù)字印刷技術(shù)及應(yīng)用研究。