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3D打印技术及其应用和发展的研究10引言最近几年，无论国内还是国外都在谋求技术创新和经济战略的调整。在此背景下，3D打印越来越成为一个令人瞩目的科技领域，并得到快速发展。3D打印技术被认为是20年来世界制造技术领域的一次重大突破，它是产品快速开发和柔性制造技术的结合，其工艺过程简单、快速等特点，不仅符合客户对快速制造的要求，还能够满足社会日益变化的需求[1]。3D打印技术拥有良好的发展前景和应用价值，它可以用于医疗行业、航空行业、快速原型、建筑设计、食品行业等，前景广阔且经济潜力巨大。图0.1世界各国3D打印产值占世界总产值的比例Fig.0.13DPrintingoutputvalueaccountedfortheproportionofworldoutput3D打印技术及其应用和发展的研究213D打印概述目前流行的3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。它源于“快速成型技术”(Rapidprototyping,简称RP)，基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆砌法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一项重大成果。3D打印技术集机诫工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身，可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段。1.13D打印基本概念与传统的减法制造工序(通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状)相反，3D打印技术是一种增材制造技术(AdditiveManufacturing)，即通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品，因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[3]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点。图1.1利用3D打印制造的工艺产品Fig.1.1Craftproductsmadeby3DPrintingmanufacture1.23D打印基本原理首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型(也称为计算机辅助性设计)，然后把胶体或粉末等打印材料装入打印机，再将打印机与电脑相连接，通过打印设备软件读取设计绘图数据，并将数据传输至3D打印机，从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时，塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至3D打印技术及其应用和发展的研究3半液体状态，然后通过印刷头输出.精确地沉积成极其细微的分层，把打印材料和三维立体模型一层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物[4]。印刷头只沿水平方向或垂直方向移动，模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时，有了支撑材料的承托，模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后，支撑材料将会自行溶解，还可以按照需要为模型图上颜色或者进行其他处理。1.33D打印的特点任何科学技术在发展阶段，自身都会有优点和缺点，在保持优点、跟新优点的同时，我们正确的认识到缺点，并对缺点加以改进。1.3.13D打印所具有的优点（1）制造快速3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[5]。（2）CAD/CAM技术的集成快速成型技术集成CAD/CAM激光技术、数控技术、化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。（3）完全再现三维效果经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。（4）材料种类繁多到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。（5）创造显著的经济效益与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。（6）应用行业领域广3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景[6]。（7）节省原材料和人工3D打印技术及其应用和发展的研究4由于采用“添加制造技术”，它的用料只有原来的1/3到1/2，打印速度却快4倍。同时因省去生产线和一部分组装过程，可降低人工成本。（8）是可以制作形态各异的物品理论上，只要计算机可以设计出的造型，3D打印机都可以打印出来。表格1.1传统制造方式和3D打印技术的对比Fig.1.2Thecontrastoftraditionalmanufacturingmodeand3dprinting1.3.23D打印的缺点（1）3D打印技术具有局限性，具体主要体现在材料上，目前打印材料主要只有塑料、树脂和金属，骨骼等有机原料。（2）3D打印对于生产结构复杂、材料昂贵、传统工艺实现难度大的产品，有着成本低、流程简单、重复性好、实现周期短的优势。但是其本身也有一些局限性，如目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，必须经过表面机械加工才能作为最终使用的零件，由于复杂管路和腔体的内表面形成后难以再进行机械加工，因此管路流动效率等方面不一定能满足实际需要。（3）此外，对于一些有特殊机械性能要求（如弹簧、紧固件）或表面光洁度要求较高的产品，3D打印产品的质量和可靠性还有待改善和验证。（4）今后除需要继续突破材料种类和性能的限制、完善3D打印技术和装备能力外，还需要加强相关标准与规范的研究制订[7]。（5）现在仍然缺乏武器装备零部件采用3D打印技术生产的种类和技术可行性，应深入开展相应的工艺条件研究与产品可靠性、环境适应性验证，积累丰富的数据和经验，让3D打印技术为武器装备的研制生产带来更大的效益。1.43D打印技术所包括主流技术RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前支持3D打印的主流相关技术有[8]：3D打印技术及其应用和发展的研究5（1）3D打印成型技术使用标准喷墨打印技术，将液态连接体铺在粉末薄层上，逐层创建各部件。此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持，并且所有未使用的材料都可再利用，所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点。图1.33D打印机Fig.1.3Akindof3Dprinter（2）光固化成型法以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状界面轨迹，使液体树脂固化，层层叠加，最终得到一个三维实体模型。特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制造出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性，不符合绿色制造发展趋势。图1.4光固化成型法Fig.1.4StereolithographyApparatus（3）分层实体制造法或称为叠层实体制造，是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高，缺3D打印技术及其应用和发展的研究6点是前、后期处理费时费力，且不能制造中空结构件。图1.5分层实体制造法Fig.1.5LaminatedObjectManufacturing（4）选择性激光烧结法常采用金属、陶瓷,AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件，造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。图1.6选择性激光烧结法Fig.1.6SelectiveLaserSintering（5）助熔融沉积制造法又称为熔丝沉积制造，是以热塑性成型材料丝为材料，逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。以上是一些目前市场上主流的3D打印技术，除上述技术外，一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。3D打印技术及其应用和发展的研究723D打印技术的发展概述2.1发展历史19世纪末美国有人研究出了地貌成形技术，形成了利用“层叠成形”的方法去制作地形图的构想，这是3D打印技术设想的来源之一[9]。真正的3D打印技术，学界一般认为开端于20世纪80年代的美国和日本。1977年，美国的Swainson提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法来直接制造立体模型产品。1979年，日本的中川威雄利用“层叠成形”的薄膜技术方法加工出实用的工具模具。1981年，美国的HideoKodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系统的设计方案[10]。1986年，3DSystems公司成立，开发出里程碑式的STL文件，并于1988年成功研制出世界首台商用3D打印机SLA-250。Scottcrump也于1988年发明了另一种3D打印技术FDM，并创建了Stratasys公司，于1992年研制出第一台FDM技术的3D打印机[11]。2.23D打印技术在发达国家的发展现状目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型[12]。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元[13]。2.33D打印技术在国内的发展现状我国3D打印技术的发展已有20多年，与世界上其他发达国家相比，晚10余年的发展时间[14]。现阶段我国的3D打印技术与其他发达国家的3D打印技术水平还有差距。虽然我国的3D打印技术已经能与发达国家的3D打印技术同步，但是制造产业仍处于开始阶段，与发达国家存在的差距，主要是还没有建立一套较为完整的发展产业体系，核心技术也需要加大开发力度，政府也需要加大资金、政策的扶持力度。为了使3D打印技术能够得到更好的开发利用，我国政府研究后已经推出一系列政策，推进我国增材制造产业的发展，要求将增材制造产业作为我国产业结构升级的重要任务。在《中国制造2025》规划纲要中，对3D打印有了明确要求，由此我们可以看出政府对3D打印技术应用以及发展的重视[15]。3D打印技术及其应用和发展的研究82.43D打印技术自身还存在的缺陷（1）精度和价格现在3D打印技术的精度约为0.1mm，而且3D打印机本身的售价偏高，不过随着技术的进步和成本的降低，一台普通3D打印机的成本有望比激光打印机还要低。（2）生物3D打印机面临的挑战其中之一是其打印出的器官如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难于实现，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内生物打印技术将成为一项标准技术。（3）打印材料面临的挑战要实现3D打印技术的大规模使用还有不少挑战，首先是打印材料，它根据打印商品的不同，需要各种特殊种类的金属塑料以及陶瓷等成本比较高。（4）3D打印机缺乏标准同一个3D模型给不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。此外，打印原材料也缺乏标准，目前3D打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定的收入。这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3D打印机生产商所用的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产商很难进入，研发成本和供货风险都很大，难以形成产业链。表面上是3D打印机捆绑了3D打印材料，事实上却是材料捆绑了打印机，非