3D打印技术的应用及发展趋势

3D打印技术的应用及发展趋势Applicationanddevelopmenttrendof3dprintingtechnology摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。因此，本文主要介绍了3D打印技术的工作原理，并对其市场应用进行了详细说明，在此基础上还对其发展趋势做了分析。最后指出，3D打印技术将深刻改变传统行业的产业模式，实现从传统制造向智能制造迈进。关键词：3D打印技术；工作原理；市场应用；发展趋势Abstract:3Dprintingtechnologyisoneoftherepresentativetechnologiesofthethirdindustrialrevolution;ithasbeenincreasinglybecomepopularintheindustrialsectorsandinvestorcommunity．Thispapermainlyintroducestheworkingprincipleof3dprinting,anditsmarketapplicationhascarriedonthedetailedinstructions,onthisbasisalsomadeanalysisonitsdevelopmenttrend.3Dtechnologywillprofoundlychangethetraditionalindustrialmodesandimplementthemovementfromtraditionalmanufacturingtointelligentmanufacturing．0引言当前，新一轮的数字化制造浪潮已在世界各国悄然兴起，随着发达国家制造业竞争力的持续下滑，“智能机器人、人工智能、3D打印”将成为实现数字化制造的关键技术。英国《经济学人》杂志曾经在2012年4月份发表了一个封面故事《第三次工业革命》，这个故事在论述数字技术给我们的世界带来变革的同时，特别的提到了3D打印技术会因为对传统工业制造规模效应的冲击将得到非常广阔的发展空间。作为第三场产业革命的标志之一，3D打印技术已在全球制造领域产生了重要影响。该技术已经不是研究员、科学家的专用技术，3D打印机甚至在一些欧美发达国家的应用也相当普遍。它已经从实验室和工厂逐渐走进学校和家庭。3D打印的服装已频频出现在全球各大时装展上，3D打印的曲奇和糕点已成为许多家庭餐桌上颇受欢迎的小点心，就连3D打印的个性家具也受到年轻人的喜爱，在自行车和汽车等交通工具的设计中也日益呈现3D打印元素。从小朋友的定制玩具，到父母的立体婚纱照，再到爷爷奶奶的义齿，3D打印能使家庭中的每个成员都感到惊喜并从中获益。3D打印技术逐渐从打印物体外包造型过渡到打印物体的内部构成，最终发展到打印物体的高级功能和行为阶段。总而言之，3D打印技术在世界上的发展速度已经开始加速。3D打印技术作为快速成型领域的一种新型技术，目前正迅猛发展。3D打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。国内外专家一致认为，3D打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产和复杂精密的零件批量生产成为可能，这将会带来全球制造业的“第四次工业革命”。越来越多的新闻和媒体认为，3D打印产业将会是具有强大的竞争能力的新型产业。1.3D打印技术简介1.1.3D打印概念3D打印技术（3Dprinting），即快速成形技术的一种，它是以一种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。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。3D打印是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。其生产过程主要足通过电脑软件的3D建模或者是扫描出零件的3D图片，没计出立体的加工样式，然后通过3D打印没备，用树脂、金属粉、料粉、尼龙粉等固体材料逐层“打印”出产品。3D打印技术是“增材”制造的主要实现形式。不同于传统的“去除型”制造。3D打印技术运用的足“加法”而不是减法。通过对产品的逐层扫捕。然后分成无数个厚度极小的截面，一层一层的堆叠起来，无需原胚和模具．就能直接根据计算机图形数据。通过这样的叠加材料的方法，能制造出内部结构卡H当复杂的产品。运用这种生产方式。能够大大的简化产品的制造过程。极大程度的缩短产品的制造周期，并能有效的提高生产效率降低生产成本。1.2工作原理及分类3D打印技术的基本原理是：将一个在电脑中设计好的或者通过扫描方式完成的三维立体零件模型，沿空间某一坐标轴切成许多个一定厚度的剖面，切剖面的过程可以按微积分的思想去理解，然后通过打印机由下向上一层一层将每一剖面打印出来，再将剖面粘结起来，就会得到所需零件的实体[3]。简单的说就是“分层制造、逐层叠加”。目前主要的3D打印技术方法有以下几种。（1）光固化立体成型（StereoLithographyAppa⁃ratus，SLA）光固化立体成型是指用激光束照射装在树脂液槽中的光敏树脂，使其能够由点到线、由线到面顺序快速固化，然后升降台下降一个层片的高度，再固化第二个片层，这样层层叠加不断重复，直到整个模型成型完成。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设计扫描路径→激光光束按设计的扫描路径照射液态光敏树脂表面→形成树脂固化层，生成零件的一个截面→升降台下降一个层片的高度→固化层上覆盖另一层液态树脂→再进行第二次扫描→第二固化层牢固的粘接在前一固化层上→重复以上工序，得到层层叠加而成的三维模型原型。其工作过程示意图如图1.1所示。图1.1SLA工作过程示意图（2）分层实体制造（LaminatedObjectManufac⁃turing，LOM）分层实体制造是以片材为原材料，在片材表面事先覆盖一层热熔胶，加工时热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接，再利用激光在刚粘结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格，激光切割完成后工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离，供料机构再次使新层移动到加工区域，工作台上升到加工平面，热压辊加热，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚，再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完成，得到分层制造的实体零件。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→基底制作→原型制作→余料去除→后置处理。其工作过程示意图如图1.2所示。图1.2LOM工作过程示意图（3）选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）选择性激光烧结使用粉末材料作为造型材料，加工时将粉末材料加热到接近于其熔点的温度，再利用辊子将粉末铺平，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→激光烧结→产生原型零件→再次激光烧结→产生零件原型。其工作过程示意图如图1.3所示。图1.3SLS工作过程示意图4）熔积成型（FusedDepositionModelingFDM）熔积成型是利用电将丝状热熔性材料加热至略高于熔点温度，在计算机控制下喷头根据截面轮廓信息，将材料选择性的涂敷在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成型完成后，喷头上移一层截面的高度，再次涂敷下一层，这样逐层堆积直至形成完整的三维工件。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设置扫描路径→对材料进行加热→喷头按照设置好的路径进行涂敷→快速冷却→喷头上移→再次按设置好的路径进行涂敷→继续重复以上涂敷工序，得到逐层堆积而成的完整工件。其工作过程示意图如图1.4所示。图1.4FDM工作过程示意图2.3D打印技术市场应用经过多年的发展，3D打印技术已初步形成了一套体系，同时该技术可应用的领域也逐渐扩大，已涵盖产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等各个领域，前景远大。显然，只有不断提高3D打印技术的应用水平，才能持续推动3D技术的发展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面。2.1产品设计领域工业设计师新的设计造型观必将随着时代、科技和人文艺术的发展而更新。随着3D打印技术的发展与应用，产品的生产方式已不再成为设计师想象力的束缚。外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且浑然一体。设计师能够专注于产品形态创意和功能创新，即所谓“设计即生产”。产品造型设计将呈现多元化趋势，在其技术属性、经济属性、美学属性、环境属性、人机属性等要素中，美学属性要素所占的比例得到提升，产品造型艺术化表现方式将逐渐流行，届时消费者对于产品造型的审美观也将随之发生改变。3D打印使复杂的产品结构成为可能，同时产品结构设计的一体化趋势逐渐显现。由于目前生产工艺的限制，一般产品大多由若干部件组装起来共同构成产品的主体结构。这种组装结构增加了产品的质量、体积、复杂度和故障几率，同时在生产和装配过程中浪费了大量的材料及能源。3D打印技术的“加式”方法使产品结构一体化，变得更加简单，甚至某些特殊铰接结构可借助辅助性材料一次成型而无需组装，不仅提高了生产效率，也提高了产品的结构强度和可靠性。2.2模具制造领域模具行业是一个跨度非常大的行业，它与制造业的各个领域都有关联。在现代社会，制造和模具是高度依存的，无数产品的部件都要通过模制（注射、吹塑和硅胶）或铸模（熔模、翻砂和旋压）来制造。无论什么应用，制造模具都能在提高效率和利润的同时保证质量。传统的模具制造方法周期长、成本高,一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。与数控加工相比，3D打印制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。将3D打印制作的样件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期减少一半，显著提高生产效率。间接用3D打印样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件，所以3D打印与传统的锻造方法相结合，可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。（1）模具生产周期缩短3D打印模具缩短了整个产品开发周期，并成为驱动创新的源头。在以往，由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具，公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间，以及使现有的设计工具能够快速更新，3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。例如图2.1为隆源成型制造的缸盖气道和水套的组合芯，利用激光烧结技术一次烧结成型，提高了组模精度，成型时间仅用19小时。缸盖外模可用传统方法制作，这样就大大缩短了缸盖的研发时间，从CAD设计到缸盖铸件图2.2的完成只需约20天。图2.1发动机缸盖气道，水套组合芯图2.2发动机缸盖铝铸件（2）制造成本降低如果说当下金属3D打印的成本要高于传统的金属制造工艺成本，那么成本的削减在塑料制品领域更容易实现。金属3D打印的模具在一些小的、不连续的系列终端产品生产上具有经济优势（因为这些产品的固定费用很难摊销），或者针对某些特定的几何形状（专门为3D打印优化的）更有经济优势。尤其是当使用的材料非常昂贵，而传统的模具制造导致材料报废率很高的情况下，3D打印具有成本优势。此外，3D打印在几个小时内制造出精确模具的能力也会对制造流程和利润产生积极的影响。尤其是当生产停机或模具库存十分昂贵的时候。最后，有时经常会出现生产开始后还要修改模具的情况。3D打印的灵活性使工程师能够同时尝试无数次的迭代，并可以减少因模具设计修改引起的前期成本。（3）模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性。通常，金属3D打印的特殊冶