3D打印技術可以追溯到1976年噴墨打印機的發(fā)明。1984年，查爾斯·赫爾將光學技術應用于快速原型制造，拉開了3D打印的帷幕。20世紀80年代以來，3D打印技術引起了全世界的關注，開始進入人們的視野和生活。如今，3D打印技術已經(jīng)在制造、醫(yī)療、學術、航空航天和軍事等多個領域得到了很好的發(fā)展和應用。

 

　　3D打印技術的工作原理是利用計算機建模軟件(如3Dmax等。)在計算機上創(chuàng)建一個虛擬的3D模型，將模型文件轉(zhuǎn)換成與3D打印機匹配的格式，然后3D打印機根據(jù)切片程序?qū)M截面堆疊成3D模型來完成打印。

 

　　3D打印技術與計算機建模技術的結(jié)合，大大加速了信息制造技術向網(wǎng)絡化定制和數(shù)字化方向發(fā)展，逐漸成為我國國民經(jīng)濟不可或缺的一部分。復合材料、金屬材料等現(xiàn)有材料的打印技術是3D打印發(fā)展的重要方向，也是其他許多制造領域定制產(chǎn)品的主要工作形式。

 

　　一、3D打印技術的優(yōu)勢

 

　　3D打印技術避免了傳統(tǒng)制造業(yè)的切割工藝，不需要模具制造。加工速度快，生產(chǎn)周期相對較短。更重要的是，3D打印在制造體積小、結(jié)構(gòu)復雜的物體方面有很大的優(yōu)勢。通過集成印刷技術，不需要二次加工，通過計算機在線操作實現(xiàn)批量生產(chǎn)和遠程控制。

 

　　3D打印技術最具代表性的是熔積成型技術。其工作原理是通過送絲裝置將熱熔長絲材料送入噴嘴。在計算機軟件的控制下，加熱噴嘴擠出軟化的材料，并開始沿著物體的輪廓移動，直到半流動材料的填充和固化完成，從而形成3D打印產(chǎn)品。例如，對于塑料制品的三維打印，通過加熱三維打印機的噴嘴使塑料熔化，擠出后塑料迅速冷卻，并與周圍材料粘合和覆蓋。目前，F(xiàn)DM可以印刷金屬、石蠟、ABS、PLA、人造橡膠等,同時生產(chǎn)3D模型、機械零件、日用品等。廣泛應用于建筑、汽車、航空航天和醫(yī)療領域。與傳統(tǒng)機械加工生產(chǎn)相比，F(xiàn)DM技術具有成本低、材料廣泛、原材料利用率高、污染少等優(yōu)點。

 

　　二、3D打印需求現(xiàn)狀

 

　　1、研究現(xiàn)狀

 

　　到目前為止，根據(jù)3D打印制造方法的原理已經(jīng)產(chǎn)生了許多制造技術，并且根據(jù)實際情況對許多材料進行了劃分。3D打印常用的材料有PLA、不銹鋼、鈦合金、鋁、石膏、橡膠、耐用尼龍等。實現(xiàn)3D打印的技術主要有光聚合成型技術、顆粒材料成型技術、擠出成型技術、線材成型技術、層壓成型技術和粉末層噴嘴技術。

 

　　以建筑行業(yè)為例，從設計角度來說：蓋房子不需要復雜的設計過程，每個專業(yè)設計師都是在3D模型中完成自己的設計。也許有一天，每個人都可以直接從網(wǎng)上下載想要的建筑模型。對于建筑造型來說，傳統(tǒng)建筑中難以實現(xiàn)的曲面造型在3D打印中變得更加簡單，這對追求自由造型的建筑師來說絕對是個好消息。新的結(jié)構(gòu)設計方法必須出現(xiàn)。比如利用有限元分析，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范和相關技術標準可能不再適合打印建筑，需要制定適合3D打印在建筑中應用的行業(yè)規(guī)范。新的施工工藝要求新的驗收標準，同時應開發(fā)新的建筑檢測技術。

 

　　2、材料的探索

 

　　在材料方面，我們已經(jīng)開始探索使用陶瓷和粘土等材料。為了滿足3D打印建筑的需求，未來會出現(xiàn)許多特殊材料，如纖維材料、復合材料、化學材料和智能材料。材料性能要求將不斷提高，材料科學研究將向微觀方向發(fā)展，新材料將更加符合建筑材料標準。以混凝土為例，首先，混凝土的原材料將變得更加廣泛。例如特種水泥、樹脂、鎂粘結(jié)材料等?？捎米髂z凝材料。粗細骨料的質(zhì)量要求會更高，以滿足3D打印的需求。混凝土必須有較好的流動性，能在空氣中快速凝結(jié)，并能自撐。外加劑可能會發(fā)生根本性的變化，它們在特定系統(tǒng)中的作用和機理完全不同。其次，在縱橫比設計中，可能需要新的理論來支持它。混凝土的性能發(fā)生了很大的變化，硬化和收縮性能發(fā)生了根本性的變化。

 

　　目前3D打印行業(yè)的主要材料有很多，如工程塑料、光敏樹脂、橡膠材料、金屬材料等。工程塑料是應用最廣泛的3D打印材料，如ABS、PC材料、PLA、尼龍材料等。工程塑料是指用作工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)塑料，具有優(yōu)異的強度、抗沖擊性、耐熱性、硬度和耐老化性。此外，橡膠材料和金屬材料也憑借各自的優(yōu)勢在自行車、醫(yī)療和金屬制造行業(yè)發(fā)揮著無限的作用。

 

　　三、3D打印對社會生活的影響

 

　　3D打印建筑技術融合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、建筑技術、建筑設計、材料科學與化學等。一體化需要協(xié)調(diào)發(fā)展。3D打印建筑非常適合應急住房和貧困群體，未來開發(fā)的打印機真的可以創(chuàng)造出適合人們居住的房子。自然災害發(fā)生后，建筑機械可以快速打印出房屋并自動安裝各種設施，無論是功能還是強度都優(yōu)于救災帳篷和活動。未來的3D打印建筑也可以滿足客戶的定制需求，尤其是對于外觀復雜不規(guī)則的建筑和結(jié)構(gòu)，3D打印具有獨特的優(yōu)勢。

 

　　3D打印能夠以極低的成本和更快的制作速度輕松滿足人們的創(chuàng)作思路和需求，能夠為藝術創(chuàng)作道路上的人們提供更多的思路和更有力的幫助。此外，在教育方面，3D打印可以讓學生更直觀地觀察事物從無到有的生產(chǎn)過程，激發(fā)孩子的創(chuàng)造力。3D打印將是引領時代進步和社會新變化的主要技術力量。

 

　　四、3D打印技術應用趨勢

 

　　1、3D打印技術在手工制造中的應用

 

　　3D打印技術在制造業(yè)中應用最為廣泛。從3D打印船舶和汽車、3D打印機器人和打印家具，到小型3D打印螺絲和螺母、工業(yè)零件和手機外殼，這些都可以通過3D打印堆疊起來。2014年，美國康奈爾大學的創(chuàng)意機器人實驗室HodLipson制造了微處理器、電池和機器人連接器等部件，能夠完全組裝輕型機器人。

 

　　3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也有一定的優(yōu)勢。對于一些尺寸小、形狀復雜的零件，3D打印可以充分利用材料，合理控制零件的制造成本，對優(yōu)化精密零件的制造工藝，提高企業(yè)利潤將產(chǎn)生積極的影響。除了以上幾個方面，3D打印模具在提高精密零件的性能，實現(xiàn)精密零部件的個性化制造方面也很突出。

 

　　對于一些尺寸小、形狀復雜的零件，3D打印可以充分利用材料，合理控制零件的制造成本，對企業(yè)優(yōu)化精密零件的制造工藝，提高利潤將產(chǎn)生積極的影響。除了以上幾個方面，3D打印模具在提高精密零件的性能，實現(xiàn)精密零部件的個性化制造方面也很突出。企業(yè)可以借助3D打印優(yōu)化精密零件的制造工具，使相應的工具在設計時考慮到人機工程學，從而提高其操作的舒適性和實用性，如精密零件模具。通過優(yōu)化模具等制造工具的設計，將進一步降低精密零件的廢品率。

 

　　2、3D打印技術在家庭消費娛樂方面的應用

 

　　最初的3D打印機大多功能單一，主要用于工程建設和醫(yī)學科學。由于其價格高、體積大，在家庭消費中的應用受到嚴重影響。然而，隨著用于家庭和個人應用的臺式3D打印機的出現(xiàn)，3D打印機在家庭消費市場的銷量日益增長。隨著家用3D打印機價格的不斷下降，打印機的功能也變得更加多樣化，3D打印機在家庭消費領域的應用范圍將迅速擴大。例如，在食品行業(yè)，2012年，賓夕法尼亞大學的科學家在實驗室使用3D打印機技術打印人造肉。人們實際上可以在碳水化合物的生長框架上種植新鮮的肉組織，吃起來和真正的肉非常相似。最近的研究結(jié)果表明，3D打印技術在食品制造領域有著廣闊的應用前景，盡管它還處于初步的實驗階段。

 

　　此外，一些家用小玩意，如花盆、筆筒、收納盒等,可以根據(jù)自己的意愿設計模型的形狀和大小，然后在電腦上建模后通過3D打印技術創(chuàng)建實體，從而為生活增添了不一樣的樂趣。如果家里有孩子，也可以利用3D打印為他們制作玩具，既培養(yǎng)了孩子動手動腦的能力，又節(jié)省了購買玩具的成本。

 

　　3、3D打印技術在醫(yī)療領域的應用

 

　　3D打印技術可用于快速準確地創(chuàng)建人體器官模型。借助器官模型，醫(yī)生可以診斷病人的病情。同時，人體器官模型可以幫助醫(yī)生術前充分討論，找到最佳的手術治療方案，從而有效縮短手術時間，降低手術風險。由于醫(yī)療模式的易用性，發(fā)達國家的市場正在迅速擴大。除了醫(yī)學模型，還可以利用3D打印制造高效藥物。由于藥物在大小和形狀上高度相似，且在成型過程中易于移植，因此具有廣闊的應用前景。美國科學家成功利用3D打印快速成型技術生產(chǎn)口服控釋片。

 

　　人造骨骼也可以通過3D打印來打印。采用可分解的工程材料作為打印材料，通過3D打印機可以打印出具有活性因子和疏松孔隙的人工骨骼。而人工骨植入活體后，經(jīng)過一段時間的分解，鈣化物質(zhì)可以被活體完全吸收，形成新的骨骼，這在動物實驗中得到了充分的驗證。一個英國女孩戴著3D手掌，一個農(nóng)民工戴著3D打印頭骨。即使是澳大利亞的CSIRO公司，也可以為患者量身定制鈦胸骨和肋骨，從而為他們打造一個3D胸腔。美國生物技術公司Organovo利用細胞3D打印技術，在細胞培養(yǎng)基中打印出肝臟所需的細胞組織。在血管中培養(yǎng)后，肝臟可以生長成正常的形狀，移植到人體。

 

　　五、總結(jié)

 

　　3D打印技術具有結(jié)構(gòu)精密、整體性好、成本低的特點。生產(chǎn)出了一系列具有良好經(jīng)濟價值的產(chǎn)品，廣泛應用于機械制造、建筑、醫(yī)藥、航空航天等諸多領域。在現(xiàn)代社會，各行各業(yè)一直堅持著顧客就是上帝服務的原則和宗旨。因此，3D打印需要根據(jù)不同客戶的多樣化需求制作3D打印產(chǎn)品，為客戶提供外觀最好的作品。這不僅可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和市場競爭風險，還可以在一定程度上提高很多普通用戶的消費和生活水平。

 

　　限制3D打印技術發(fā)展和應用的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印設備的適用性。目前3D打印技術中可用的快速成型材料主要包括高分子材料、金屬材料和無機非金屬。雖然高分子材料在商用3D打印機中得到了廣泛的應用，但其他材料的應用還處于探索的初級階段(例如限于特定的塑料、樹脂和金屬材料，精度只能達到微米級)，因此打印材料數(shù)量有限，極大地限制了3D打印技術的推廣。好在隨著科技的不斷發(fā)展和進步，未來會出現(xiàn)更多的成型材料和綜合性能良好的材料，這將為3D打印技術的進一步發(fā)展和普及提供很好的支撐。另一方面，隨著3D打印技術可用材料的不斷增加和3D打印機工作能力的不斷提高，3D打印機可打印的實體模型類型將呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，3D打印技術的應用領域也將不斷拓展。最重要的是，隨著設備的完善和新興技術的不斷發(fā)展，3D打印產(chǎn)品的尺寸精度和材料性能將進一步提高，對傳統(tǒng)機械和手工制造行業(yè)的影響將逐步顯現(xiàn)。在個人應用領域，面對不同消費群體的個性化需求，會有更緊湊、便捷、經(jīng)濟實用的模式，適合辦公環(huán)境。

 

　　雖然3D打印技術在全球制造業(yè)中的比重可以忽略不計，但3D打印技術的發(fā)展和應用也受到各種因素的影響。但隨著研究的不斷深入和技術的不斷進步，3D打印的應用領域?qū)⒉粩鄶U大，打印材料將更加多樣化，打印設備的功能也將更加完善，這將很快對傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式帶來深遠的影響，引領全球制造業(yè)新一輪的革命浪潮。