3D打印技术现状与趋势,本文是研究现状有关毕业论文怎么写和发展趋势和3D打印技术和研究现状方面硕士学位论文范文.
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摘 要 3D打印正在引发全球制造业革命性变革,该技术通过3D软件建模结合打印机成型,可以灵活地实现不同材料在任意空间上的增材制造,快速、精准地实现产品成型,大大节约原材料和缩短产品制造周期.文章综述了3D打印的几种典型成型技术,以及3D打印技术的应用情况和前景.
关键词 3D打印；增材制造；应用领域；发展趋势
中图分类号 TP3
文献标识码 A
文章编号 1674-6708（2018）204-0104-02
3D打印（Three Dimension Printing,简称3DP）是一种以数字模型为基础,通过数控系统将专用的打印原材料,通过层层打印堆积材料实现实体成型制造.3D打印也被通俗的称为分层制造、增材制造、快速成形或自由成形等.我国早在四五千年以前,就已经开始通过“等材制造”的途径冶铸青铜器皿.18世纪工业革命推动了各种机床的发展,并形成车、铣、刨、磨等工艺实现了材料的“减材制造”.3D打印技术起源于20世纪80年代,1986年美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D打印机并成立了3D Systems公司,开启了“增材制造”时代[1].经过短短几十年的发展,3D打印技术展现出独特的快速成型技术优势,在国内外掀起新一轮研究热潮.
1 几种典型的3D打印技术
3D打印技术根据成型原理不同所用的原材料以及应用行业也有所不同,目前应用较广的几种典型3D打印成型技术包括[2-3]：
1）熔融沉积打印技术（Fused Deposition Modeling,FDM）.熔融材料三维打印通过加热热塑性丝材至熔融态,经可控运动轨迹的喷头挤出并迅速固化打印材料,沿产品截面切片轮廓和规划的运动轨迹,层层打印叠加形成零件实体成型.FDM打印原材料一般是热塑性材料,如聚乳酸、聚碳酸酯高聚物、尼龙等.这种工艺发展极为迅速,不需要额外激光等高能融化材料,使用维护简单,成本较低.目前FDM系统在全球已安装3D设备中的份额最大.
2）3D打印技术（3D Printing,3DP）.3DP技术采用3D打印机,以粉末（如石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等）和粘结剂为基本成型要素,通过将粘结剂打印在平铺的粉末薄层上,以打印横截面数据在该层创建三维实体模型,随后工作台下降一个单位层厚,再重复下一层打印,逐层堆砌.采用这种技术打印可进行多色彩打印,模型样品所传递的信息较大,是目前最为成熟的彩色3D打印技术,其缺点是零件精度和强度偏低.
3）立体光固化成型技术（Stereo Lithogra
phy Appearance,SLA）.立体光固化成型法采用液态光敏树脂原料,其成型时先通过CAD设计出三维模型,并将模型进行切片处理,规划扫描路径,然后控制激光扫描器和升降台的运动轨迹,照射液态光敏树脂使其固化.SLA打印原材料为特定的光敏树脂,打印机及原材料均较贵,成型产品较脆,不易保存,但其打印精度高.主要用于打印小型模具、模型、戒指首饰等小部件.另有DLP激光成型技术和SLA技术相似,不同的是,它使用的固化光源为高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪,其成型时通过光源图案整层固化（面固化）液态光聚合物,而SLA技术依靠控制光源运动轨迹（线固化）固化,因此DLP打印效率更高.此类技术成型精度高,打印产品的精度和粗糙度可达到注塑成型工艺的质量.
4）选区激光烧结/熔融技术（Selective Laser Sintering/Melting,SLS/SLM）.选区激光烧结/熔融技术采用粉末为打印材料,打印过程中,平铺的粉末通过控制高能激光融化规划区域的材料,选择性地融化、烧结材料使之固化,打印完一层再铺粉打印下一层,通过这种过程循环,粉末层层熔融堆积成三维实体.另外,电子束融化技术（Electron Bean Melting,EBM）与SLS/SLM成型技术类似,不同的是,该技术通过高能电子束加热融化材料.这2种技术成型原理均较复杂,成型条件设备及材料成本高,打印材料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等,其打印产品成型精度高,力学性能好,在航空航天、生物医疗器械等领域具有广泛应用.
2 3D打印技术的应用
目前3D打印技术在工业、医疗、建筑、消费品等诸多领域均有较好的应用,传统制造经常导致一些部件无法制造或者制造成本很高,生产周期很长,但使用3D打印技术可以带来更大的自由度,因此,在很多领域得到了广泛应用[4].
1）工业领域.在工业领域,3D打印机可以打印出汽车、航天等需要的零件,有效地避免了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端.如以航空工业燃机叶片为例,该叶片拥有十分复杂的内部冷却结构,如果采用常规的流程一般需要2年的时间去设计、开发及测试新款燃机叶片,但通过3D打印我们可以缩短减少90%的原型制作时间.此外在工业制造领域,产品概念设计、快速原型制作、产品功能评估,产品模具制造等均可应用3D打印技术辅助制造.目前铸造领域已有应用3D打印砂型,汽车轮胎模具通过3D打印技术制造等.
2）医疗领域.医疗领域是目前3D打印技术应用主要包括：模型制造；手术导板及矫正假肢设计制造；仿生个性化植入体制造；含细胞生物打印活体器件以及活体器官；药物筛选模型等.目前在骨科中,已有部分3D打印个性化植入体产品获得了临床批准应用.2013年3月11日,牛津性能材料公司宣布,他们使用特殊聚醚酮酮PEKK材料3D打印头骨植入物获得了美国食物和药物管理局（FDA）的批准.2015年11月施乐辉基于CONCELOC技术的REDAPT修正髋臼全孔杯获得了FDA准入.2016年3月10日,全球知名骨科植入产品公司史赛克（Stryker）宣布,该公司开发的3D打印后路腰椎间融合器获得FDA批准,并于2016年上市.2015年由北大三医院和爱康医疗公司合作研发的3D打印人工髋关节产品成为我国首个获CFDA批准的3D打印植入物.
3）建筑领域.建筑领域里,工程师已经开始应用3D打印技术进行建筑模型设计,甚至直接建造,这种方法建筑成本低、建造速度快,材料利用率高.打印建筑与一般的3D打印原理相似,不过原料换成了水泥和玻璃纤维等.2014年4月,上海张江高新青浦园区内技术人员通过打印技术,直接打印出10幢3D建筑,这些建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”,经一台大型3D打印机打印层层叠加构建,据悉10幢小屋的打印建造仅仅花费数天时间,而传统建筑途径可能需要上月的时间修建.
4）消费品领域.在消费品领域,许多文化创意和娱乐产品,以及玩具等往往具有复杂的形状和造型,对材料、外形以及色彩表达要求高.传统的制造模式费时费钱,应用3D打印技术则可事半功倍.据报道科幻电影《阿凡达》中的部分道具正是运用3D打印设计制作的.此外,珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造应用持续增长,许多小工具、小玩具甚至小零食都可以由3D打印机直接打印出来.
3 3D打印技术的挑战和前景
尽管3D打印技术目前如火如荼,但是其技术依然面临诸多挑战,例如,其挑战之一在于开发各类3D打印原材料.3D打印的原材料较为特殊,必须能够适应各种打印成型工艺,便于液化、丝化、粉末化制备打印材料,经打印过程后又能重新固化结合.特别是对于医疗器械专用材料,大多需要进行严格的生物学评价,以防止各类生物性风险发生.打印原材料客观上影响和制约着3D打印技术的推广和发展.挑战之二是3D打印缺欠行业标准.例如在医疗器械领域,3D打印医用材料需要进行制定相应的标准,但目前我国尚未没有相关标准可参考.挑战之三是产品技术链尚未完全形成.当前3D打印各个行业中的应用尚处于规模小、合作少、产值低的状态,如何进行跨界整合（包括产品建模设计、打印材料、打印设备、销售、技术维护等）,并形成完整的产品开发应用技术链是3D打印技术推广的重要问题.
相比传统制造方式,3D打印技术具有独特的技术优势：1）可有效缩短新产品的开发周期；2）实现特殊的设计和精准制造改善产品性能；3）快捷简便灵活的生产模式.据市场研究公司IQ4IResearch & Consultancy发布的分析报告称,到2022年,3D打印仅在全球医疗领域中将达到38.9亿美元（约合257亿人民币）.英国《经济学人》2012年将3D打印技术誉为“第三次工业革命的重要标志之一”,并称之为“制造业未来的趋势”.美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”.因此,3D打印有望引领全球制造业产生革命性变革,相关产业具有光明的发展前景.
4 结论
3D打印技术根据成型技术不同对应有不同的打印原料和设备.3D打印技术目前已广泛应用于工业、航天航空、医疗、建筑及日常消费品等诸多领域,其中航天航空产品以及医疗产品本身具有较为特殊的设计要求,并具有较好的产品附加值,因此该领域方向是未来3D打印技术的一个重点发展领域.
参考文献
[1]黄健,姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业,2013（1）：62-67．
[2]周长春,王科峰,肖占文,等．3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J].科技创新及应用,2014（21）：41-42．
[3]Huang,S.H.,Liu,P.et.al.Additive manufacturing and its societal impact：a literature review[J].Int J Adv Manuf Technol.2012,67（5-8）：1191-1203.
[4]Guo,N.,Leu,M.C.Additive manufacturing：technology,applications and research needs.Front Mech Eng.2013,8（3）：215-243.
作者简介：刘嘉和,成都七中.
徐铭作,成都七中.
何懿琳,成都七中.
董子恒,成都七中.
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