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1、精品资料3D打印技术及应用.3D打印技术及应用陈浩然（土木与交通工程学院 城市地下空间工程 3113003479）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 高效 低成本 低能耗 从无到有1 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。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
2、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。2 3D技术的应用2.1 3D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( Enrico Dini )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
3、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
4、材料来生成3D实体。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。 （上图为3D打印机）2.2 3D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：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，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，分层扫描固化叠加成三维工件原型。选择性激光烧结法SLS。该方法主要采用激光有选择地
5、分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。分层实体制造法LOM，又称层叠法成形。该方法主要用片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。熔积成型法FDM。该方法主要采用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）作为原材料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（
6、约比熔点高1），在计算机的控制下，喷头作x-y两个维度的平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，这样逐层堆积形成三维实体。生物绘图技术Bioplotter。主要以细胞为原材料，复制一些简单的生命体组织，例如皮肤、肌肉以及血管等，甚至在未来可以制造人体组织如肾脏、肝脏甚至心脏，用于进行器官移植。3D建筑打印机。下文中详细介绍。2.3 应用领域3D打印技术已经运用在医疗行业、科学研究、产品原型、文物保护、建筑设计、制造业、食品产业、汽车制造业和配饰制造等领域中，为这些领域带来革命性的改变。下面我就详细讲讲3D打印技术的应用。在工业中，3D打印机很难用于批量生产，因为对比于传
7、统的工业生产技术还有一定的障碍，所以在工业中一般用于产品的开发研制，设计师可以把设计好的产品用3D打印机很快地制造出来，然后根据实际需要来继续下一步的研发，大大降低了研发的成本，还提升了研发速度。在医学中，3D打印机可以用来制造肌肉组织和特定的人体器官，通过打印人类胚胎干细胞生产3D结构，能造成更精确的人体组织模型，这对药物开发，毒性测试非常有用，为人类提供可靠的药物而不必再用动物做药物测试，提供用于移植器官而无需捐献，并能消除器官排斥和免疫带来的问题。3D打印机还可以用于艺术雕塑品的制作，有些工艺设计品难以用传统工艺制造出来，而利用3D打印机，只需把作品的模型参数输入电脑，打印出来，而且还打
8、破了材料的局限和工艺的限制，使得艺术品更具可观性。3 3D打印技术在建筑中的应用读土建类专业的我对建筑行业比较感兴趣。我认为3D打印技术在一些领域中的应用已经达到了一个瓶颈，要想再继续发展很难，将3D打印技术应用到建筑中将是未来该技术的发展方向。最近国内有公司尝试将3D打印技术运用到建筑中。上海，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内正式交付使用，是首次打印出能够住人的房子，这些“打印”出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时，用3D打印技术将房子直接打印出来，这个新闻令不少人惊叹。整
9、个打印过程形象来说3D打印房子的技术流程就是：用巨大3D打印吊机装置，喷头装着特殊的水泥，水泥从漏斗喷嘴流出来，吊机上下左右控制喷嘴的运动，喷出水泥形成一层层的墙壁。就像早上刷牙挤牙膏一样，只不过需要往牙刷上挤出上千层的牙膏。其中还涉及材料技术和控制技术。利用这种建筑打印技术，可以在短时间内建造出多间标准的房子，而且不需要众多的建筑工人，很大程度避免了建筑的误差，而且能最大程度保留建筑设计师的想法，效率高，而且几乎没有建筑垃圾（要知道一个城市的建筑垃圾占了所以垃圾的三分之一！）。利用3D打印技术建房子需要攻克很多技术难题，材料、结构、工具。万科老总王石就断言，未来3D打印房子会成为一个主流：“
10、万科下一步准备做什么呢，我们要用3D打印机打印房子。三年之后万科的建研中心就会用3D打印机打印出一个房子，万科要集中资源，集中全球最优秀的资源，在中国广阔的城镇化进程中，做很多以前想不到的事情。让我们面对未来！” 目前3D打印建筑处于起步阶段，相信随着科技的发展和3D打印技术的成熟，未来将会在建筑界中刮起一股革命风暴，我们不需要人工一砖一瓦地建房子，只需要把数据录入电脑，一栋楼房就会耸立在我们面前。许多在如今无法建成的建筑结构，利用3D打印就可以一丝不差地做出来，解决一切建筑建造技术问题，使建筑设计和建造走向无限自由，完美地体现建筑设计师的设计。无建筑垃圾使建筑工程过程更加环保。当3D打印建房
11、技术成熟后，建楼效率大大提高，成本大大降低，中国居高不下的房价肯定会下降，更多人能买得起房。只不过到那时候许多人会失业，建筑工地中不会再有那么多建筑工人，又会引起一系列社会问题。但是科技总是要进步，人类总是要发展，社会也会进步，或许那时候人们不需要像今天一样整天疲于工作挣钱。 4 结论3D打印技术是一种能够改变我们生活方式的一种技术，虽然这项技术已经被运用到人类社会的各个领域中，并取得了一定的成就，但是这项技术还在起步过程中，我相信3D打印技术还有更大的发展空间，特别是在建筑方面。或许，未来将利用3D打印技术在火星上就地取材建立一个火星基地，还可以制作出各种生活用品。 3D打印还有很长的道路要走，它的价值还没发挥到极致，当3D打印技术达到一个成熟的阶段，将会在人类的进程中刮起一波新的制造革命！参考文献