3D打印技术及应用

3D打印技术及应用Xx（xxxxxxxxxxx）摘要：3D打印技术自发展以来，以其高效、低成本、低能耗的特点，已经在许多领域发挥了不可多得的作用，它将是21世纪最伟大的技术之一。这项技术实现了从无到有的过程，能够制造出你想到的和你想不到的东西，小到肌肉组织，大到楼房建筑。在未来该技术发展成熟时，人类的发展肯定能够迈上新的台阶。关键字：3D打印3D发展历史高效低成本低能耗从无到有Abstract：Sincethedevelopmentof3Dprintingtechnology,withitshighefficiency,lowcost,lowenergyconsumption,hasplayedanimportantroleinmanyareas,itwillbeoneofthegreatesttechnologyintwenty-firstCentury.Thistechnologytoachieveaprocessfromscratch,tomakeyouthinkandyoucannotthinkofthings,smalltomuscletissue,largebuildingstothebuilding.Inthefuture,thedevelopmentofthetechnologyismature,thehumandevelopmentwillcertainlybeabletostepontoanewlevel.Keywords：3Dprint3Ddevelopmenthistoryhighefficiencylowcostlowenergyconsumptionfromscratch0引言3D打印技术，专业名称为快速成形技术，又称快速原型制造技术，简称RPM[1]。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[2]。3D打印是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品[3]。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。3D打印技术起源于20世纪80年代末的美国，发展至今已经取得极大的进步。随着技术的创新，3D打印技术逐渐深入各个应用领域，工业生产、商业、医学、建筑、艺术等领域都能看到3D打印技术的影子。3D打印技术会在各个领域中刮起一波新的革命，包括建筑行业。3D打印技术将会改变我们的对事物的认知。13D技术发展史3D打印技术实际上是一系列快速原型成形技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y孚西内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。从上个世纪80年代到今天，3D打印技术走过了—条漫长的发展之路[4]。1984年，CharlesHull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，1986年，ChuckHull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利。随后他离开了原来工作的UtraVioletProducts，开始成立一家名为3DSystEMS的公司，专注发展3D打印技术，1988年，3DSystems开始生产第一台3D打印机SLA-250，体型非常庞大。1988年，ScottCrump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM)，利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，随后也成立了～家名为Stratasys的公司[5]。1989年，C．R．Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS)，利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。1993年，麻省理工大学教授EmanuaISachs创造7三维打印技术(3DP)，将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。1995年，麻省理工大学的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床，而不是把墨水挤压在纸张上的方案，随后创立了现代的三维打印企业ZCorporation。1996年，3DSystems、Stratasys、ZCorporation分别推出了型号为Actua2100、Genisys、2402的三款30打印讥产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓[6]。2005年，ZCroooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum2510，同一年，英国巴恩大学的AdrianBowyer发起了开源3D打日机项目RepRap，目标是通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。2008年，第—个基于RepRap的30打印机发布，代号为“Darwin”[7]，它能够打印自身50%元件，体积仅—个箱子大小。2010年11月，第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车出现，它的所有外部组件都由3D打印制作完成，包括用Dimension3D打印机和由Stratasys公司数字生产服务项目RedEyeonDemand提供的Fortus3D成型系统制作完成的玻璃面板[8]。2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月，维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机重1.5kg，报价约1200欧元。2012年3月，维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限，展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。7月，比利时的internationalUnivers时CollegeLeuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车，其车速达到了140千米／小时。12月，美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹[10]。从3D打印技术的发展史我们可以看出，随着3D打印技术的种类变多，3D打印机可打印的东西越来越多。而且，3D打印机的价格在不断下降，1999年3DSystems的SLA7000要价80万美元，而Cube要价仅1299美元。另外，虽然对于普通用户和制造业来说，3D打印的大规模产业化时机还没有成熟，但我们也看到3D打印机开始向两极分化，除了百万元级的大型3D打印机之外，国内目前也出现了面向个人用户价格为数千元的3D打印机。23D技术的发展现状3D打印技术应用领域正逐步拓展，市场空间广阔[11]。过去几年里，快速制造技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位[12]。通常应用在产品试制和试验阶段，比如功能检测和装配检测等环节应用较多。目前3D打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快，2009至2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学和牙科的市场份额由13.6%上升到了15.1%[13]。此外，在个人消费领域，3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至食品。如同电脑从学院、实验室进入到家庭一样，3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似，3D打印机迅速地变得越来越便宜，功能却越来越强大。三维打印技术，现在已经处在了人人都用得起的临界点[15]。在美国，5年前一台标准的3D打印机的价格是5000-50000美元，而近期3DSystems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品，最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元。3D打印技术在过去数十年里取得了重大进展，但有关材料、设备和应用的技术挑战依然存在[16]，具体有以下几个方面：材料特性:在3D打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案之前，需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。在没有充分认识材料属性之前，是无法进行相应零部件设计的[17]。目前，世界各国已经研发了很多3D打印技术材料，因此，建立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料。材料开发:虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于3D打印技术，但仍然需要开发更多的材料。其中包括更好地理解已经使用的材料的加工-结构-属性之间关系，从而了解这些材料的局限性和优点[18-23]。此外，还需要开发质量测试程序和方法，以帮助扩展可用材料的种类。33D技术的优点三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本[24]。与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费；而且，它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；另外，在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品”，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。43D技术的应用4.13D打印机3D打印技术最直接的产物就是3D打印机。最早的3D打印机由恩里科·迪尼(EnricoDini)的发明家所设计的，当时的打印机还比较粗糙。如今3D打印机已经比较普遍，便宜的售价不到2000元，能够打印制造各种各样的模型实物。3D打印机的优势在于产品多样化，效率高而成本比传统工艺低，制造复杂物品不增加成本，无须组装，减少废弃副产品，材料无限组合，精确的实体复制。3D打印机是结合添加剂、制造技术和快速成形技术的一种机器。快速成形技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机，因此得名“3D打印机”。它以数字模型文件为基础，通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，运用一些金属、蜡、塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体[25]。简单来说，比如要打印一个立体的苹果，就先要将苹果的大小形状等参数在设计软件中设计出来，或者用扫描仪把苹果的各参数扫描输入计算机，然后计算机会把苹果每一层截面的形状计算出来，然后在3D打印机里由下到上一层一层地把苹果薄片“叠”起来。（如图4.1）图4.13D打印机4.23D打印机种类3D打印机的种类繁多，主要根据成型技术来划分：①立体光固化成型法SLA。该方法主要采用液态光敏树脂原料，通过3D设计软件设计出三维数字模型，利用