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3D打印技术
摘 要：3D打印技术是世界第三次技术革命具有代表性的一种技术,其发展逐渐受到投资界以及工业界的重视.本研究首先对3D技术进行详细介绍,接下来介绍了该技术具备的诸多优点.最后,对3D技术现阶段存在的问题进行了详细分析.
关键词：3D打印；个性化；智能制造
在2013 年6 月份的时候,英国知名经济杂志《经济学人》中就由文章提到,世界工业经过第三次革命之后,不同于过去两次工业革命,此次工业革命对于制造行业的影响深远,最具代表性的革命技术为3D 打印科技.美国知名工业周刊《时代》同样将3D打印科技归为“美国增长最快的十大技术”.从2014年之后,我国金融界、学术界以及媒体界都对3D 打印科技加以关注,我国政府部门在关注该科技的同时,还制定了发展该产业的战略规划.本研究经过海量文献研究,对3D 打印技术的内涵、材料、商业状况、工业、设备等进行分析,并以此为基础,对3D 打印技术的发展趋势及影响加以展望.
一、3D 打印技术的内涵与优势
(一) 3D 打印技术的内涵
3D 打印科技,又名“增量制造”、“增材制造”、“添加制造”.ASTM（美国的实验和材料研究协会）在2011 年的时候成立的F42 委员会（3D 打印科技委员会）制定的3D 打印科技的定义为,3D 打印不同于以往的加工材料办法,是将CAD 三维模型作为基础,利用材料增加逐层加以制造.该技术制造方法为直接制造,制造和对应模型一模一样的实物立体模型.3D 打印科技包含了产品生产周期的各个阶段所需的技术、工艺以及设备,分别为前期的“快速原型”以及整个生产周期用到的“快速制造”.3D 打印科技是测量、CAD 建模、数控、激光、接口软件、材料以及精密机械等各种科技的集合.
(二) 3D 打印技术的优势
1. 数字制造：利用CAD 软件把制造商品的组织机构形成数字,使用驱动设备对其进行制造加工将其生产为器件；形成数字的文件还能够利用互联网加以传输,达到异地分散生产的生产加工模式[1].
2. 分层制造（也成为降维制造）：是指将三维组织结构的产品利用软件分解成为二维组织结构,之后再经过层层叠加最后形成三维产品.由此可知,原则上来讲,利用3D 打印科技能够生产加工各种复杂繁琐的产品,并且生产加工的过程呈现柔性化.3. 堆积制造: 即为利用“自下到上”堆积模式来加工功能梯度、不规则材质的产品优势更加明显.
4. 快速制造：3D 打印技术在生产加工产品的时候,所需的时间更短、自动化程度更高、流程更短,还能够现场直接制造,所以,利用该技术进行生产制造更为高效、更为迅速.
5. 直接制造：所有性能较高,难以成型的产品全部能够利用“打印”的形式直接生产制造,过程更为简单.
二、设备与材料
生产制造3D 打印设备的商家所在国家,一般为德国、美国、日本、以色列以及瑞典等发达国家,其中美国又是生产制造3D打印设备的龙头.美国的3D Systems 与Stratasys 这两家设备生产企业将全世界生产加工3D 打印设备的工艺的百分之九十以上加以整合.
3D 打印所需材料可以分为三类,分别为粉末状材料、液态材料以及块状材料.美国的F42 委员会将3D 打印材料与工艺划分成七大类.具体如表一所示.
现阶段,3D 打印设备中呈现商业化趋势的主要包含上述七种工业,其中最为主要的是光固化打印、激光烧结、3D 打印以及熔融沉积这四种打印工艺.
光固化这种打印工艺主要利用紫外光扫描液态形状的光敏树脂,每一次都会形成薄薄一层,由底部向上逐渐形成物体.这种打印工艺的优势在于能够百分百利用原材料,制造的商品尺寸精准度达到上下0.1 毫米,制成的商品质量上乘,能够生产结构极为繁杂的模型.该打印工艺的缺陷在于其高昂,能够使用的材料类别极为有限,制造完成的商品不能够进行光照,长时间的光照会将产品融化[2].
激光烧结打印这种打印工艺利用功率非常高的激光,将粉末进行加热,并将其烧结成零部件.激光烧结打印工艺的优势在于能够打印各种塑性材料与金属材料,在打印的过程中不需要支撑,打印完成的零部件具备高强度、优质性能；缺陷在于所采用的材料为粉末状,当烧结定型后的商品精准度相对较低,并且使用的激光设备高昂.
熔融沉积打印这种打印工艺是利用热熔喷头,将塑性材料加以融化,将其从喷头中挤压出来,最后沉积到特定的地方使其固化定型.该打印工艺的优势在于成本低、占地小、操作难度低；缺陷在于制造成型的商品表面往往呈现条纹,商品层次结构强度较低,打印的速度非常缓慢.
3D 打印的工作模式为利用与喷墨打印机相似的喷头,该工艺类似与激光烧结工艺,仅仅把激光烧结这一过程换成喷头粘结的过程,扫描器换成粘结剂喷头.这种打印工艺的优势在于低廉、速度较快；缺陷在于打印的商品不够坚固.
三、3D 打印技术存在的问题
现阶段3D 打印科技经过长期发展依然取得显著成果,然而在该工艺在发展过程中依然存在以下问题：
（一）耗费材料.耗费材料这一问题是阻碍3D 打印科技发展步伐的重要因素.现阶段,3D 打印技术经过研究所用材料分别为金属、树脂以及塑料等,但是3D 打印科技想要在更为广阔的领域发展,就应当研究更多材料加以应用,并按照材料特性加以研究,并分析材料、商品结构以及生产相互间的联系,研发测试产品质量的办法与程序,构建材料性能数据标准.除此以外,为各大重要领域,寻求适合材料同样是一项艰巨的任务,比如客机的仿真结构,需要机身呈现透明状态,且具备较高的硬度.为达到这一标准,3D 打印技术需要研究开发新的复合材料.XeroxPAPC 打印研究中心正在研究开发新型的打印技术与打印材料,然而到目前为止,能够运用的打印材料尚且不足.
以色列的Objet 公司在研究打印材料领域具有较高的水平.在2017 年5 月份的时候,该公司已经研究了将近40 种打印数字材料,客户能够选择的基础材料也将近110 种.该公司研究的打印材料在硬度、刚性、质地以及韧性这四方面都存在一定差异.到目前为止,该公司已经研发的数字材料已经高达九十多种,均有该公司的基础材料经过复合形成,这种复合方式能够使得制造商、工程师以及设计师对其进行准确模拟,并实现商品所需性能.客户使用的Connex 多种材料打印设备,能够在相同的模型里面使用15 类透明程度与硬度存在差异的打印材料.
除夕以外,现阶段3D 打印材料中的金属材料需求迫切,特别是金、银、工具钢、钛合金、不锈钢以及镍合金等,然而这些金属材料的生产工艺仍然裹足不前.
（二）3D 打印设备.通过翻阅材料发现,现阶段全球仅存在一种3D 打印设备可以在同一时间运用多种打印材料.因为3D打印工艺还存在一定欠缺,打印成型的零部件精准程度与质量和工程应用使用要求相差甚远,只可以用作原型.
3D 打印的产品因为利用层层叠加的生产工艺,层间连接程度难以和传统锻造工艺相提并论.
（三）3D打印昂贵.现阶段,3D打印技术由于尚不完善,设备、材料等存在一约,因此尚不能规模经营,过于昂贵.
现阶段,1 公斤的打印材料在几百元到几万元不等,所以,短时间内3D 打印科技并无取代传统生产工艺的可能.然而生产个性化、小批次、社区化的制造来讲,打印一件商品与打印100件商品的接近,因此,3D 打印依然有其优势所在.
（四）保护知识产权.3D 打印科技存在的意义在于其不仅能够改变传统的工作模式与资本分配模式,还能够保护知识产权.
3D 打印科技的产生对于制造行业的影响并非规模经营,而是创意生产.虽然,仅依赖于创意同样具有危险性,创新者和模仿者可以在市场中快速推出类似的商品,就如音乐领域的盗版畅行一样.
（五）操作技能.3D 打印科技主要依赖于数字模型生产加工,然而对于普通客户来讲,学习并熟练运用CAD（电脑辅助设计软件）的难度还是相当大的.伴随时代的发展与社会的进步,在不久的将来必然会涌现一大批学生去学习、熟练掌握该技能,客户不虚言掌握3D 打印操作技能就可以制作产品模型,就好比傻瓜相机迅速推广一样.
（六）政府政策支持.3D 打印科技的研究发展急需政府部门给予政策支持以及金融界给予经济支持.例如,在医疗方面,就有可能由于欠缺医疗部门、药物监管机构的准许,使得众多医疗商品难以运用到临床实践中.
四、结语
伴随时代的发展,3D 打印科技必将在商业中得到广泛应用.3D 打印技术存在一定的优势与缺陷,然而随着时代的进步,3D打印科技的缺陷必将得到一一解决,3D 打印技术必将发挥其优势,应用到人们生活中的众多领域,为社会发展作为卓越贡献.3D 打印技术能够在最快的时间内响应市场,并适应各种各样的顾客群体,使得商业模式、生产模式发生翻天覆地的改变.H
参考文献
[1] 李青, 王强.3D 打印技术：一种高科技的兴起[J]. 远程教育杂志,2015,9.
[2] 陈维新, 刘海涛.3D 打印材料发展现状以及应用趋势[J]. 徐州工程学院学报,2014,3.
（作者单位：阳光学院）
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