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1、3D 打印技术方法争论以及进展趋势引言在科学技术飞速进展的今日，打印技术随处可见，如今，一种型的打印技术，或者说 一种快速成型技术渐渐进入人们的视野3D 打印。3D 打印作为一种降低工件制作难度的技术被人们所推崇。在 1986 年，Charles Hull 开发了第一台商业 3D 印刷机开头，3D 打印就开头登上历史舞台。九十年月的好莱坞电影开头消灭以3D 打印为灵感的故事情节，并且为了满足人类这种“上帝”思想，科研人员开头了3D 打印技术的开发与争论。近 20 年来， 3D 打印技术取得了快速进展，在消费电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息及艺术设计等领域被大量使用。随着工艺、材料
2、和装备的日益成熟，3D 打印技术的应用范围不断扩大，从制造设备向生活产品进展。本文首先介绍了 3D 打印的概念原理与产生进展， 然后说明白 3D 打印所使用的技术，最终对 3D 打印的将来做出阐述并选出比较颖的案例，对 3D 打印做出比较全面的介绍。一、3D 打印技术概念原理1、概念3D 打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为根底，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。2、一般原理及过程三维 CAD 模型设计先通过计算机关心设计CAD或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。CAD 模型的近似处理用
3、STL 文件格式进展数据转换，将三维实体外表用一系列相连的小三角形靠近，得到STL 格式的三维近似模型文件。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL 文件格式。一个 STL 文件使用三角面来大致模拟物体的外表。三角面越小其生成的外表区分率越高。PLY 是一种通过扫描来产生三维文件的扫描器，其生成的VRML 或者WRL 文件常常被用作全彩打印的输入文件。对 STL 文件的切片处理打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何外形的物品。打印机打出的截面的厚度即Z 方
4、向以及平面方向即X-Y 方向的区分率是以dpi像素每英寸或者微米来计算的。一般的厚度为 100 微米，即 0.1 毫米，也有局部打印机如Objet Connex 系列还有 3D Systems” ProJet 系列可以打印出 16 微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的区分率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为 50 到 500 个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，依据模型的尺寸以及简洁程度而定。而用 3D 打印的技术则可以将时间缩短为数小时，固然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和简洁程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的本钱大量制造聚合物产品，而3D
5、 打印技术则可1以以更快，更有弹性以及更低本钱的方法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D 打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。完成目前 3D 打印机的区分率对大多数应用来说已经足够在弯曲的外表可能会比较粗糙， 像图像上的锯齿一样，要获得更高区分率的物品可以通过如下方法：先用当前的 3D 打印机打出稍大一点的物体，再略微经过外表打磨即可得到外表光滑的“高区分率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进展打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比方在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西如可溶的东西作为支撑物。二、3D 打印技术的产生与进展1、产生长期以来科学
6、家和技术工作者始终有着一个复制技术的设想，但直到 20 世纪 80 年月，3D 打印的概念才算真正开头实现。1982 年，首次公开实现实体模型印制的是日本名古屋市工业争论所。 然而，最常被冠以制造“现代”3D 打印机的人是查尔斯W赫尔Chuck Hull， 1984 年，他定义了专利术语Stereolithography“立体光刻造型技术”系统通过创立多个截面的方式生成三维物体对象。2、进展历史1984 年 - 查尔斯赫尔制造将数字资源打印成三维立体模型的技术。1986 年 - 立体光敏成型1986 年 - 查尔斯赫尔命名他制造的技术叫立体光敏成型技术，并以此获得了专利。1986 年 查尔斯赫
7、尔成立 3D Systems 公司，并开发了第一个商用 3D 打印机，它被称为立体光敏成型设备。1988 年 - 3D 系统开发SLA-250 型商业打印机，这是第一个面对公众的打印机版本。1988 年 - 斯科特克伦普制造了熔融沉积成型技术FDM。1989 年 - 斯科特克伦普成立了Stratasys 公司。1991 - Helisys 售出第一台叠层法快速成型LOM系统。1992 - Stratasys 公司售出首台基于FDM 技术的“三维建模”机器。1992 年 - DTM 售出首台选择性激光烧结SLS系统。1993 年 - Solidscape 成立，它生产能打印外表光滑的小型零件的喷
8、墨打印机机，但打印速度相对较慢。1993 - 麻省理工学院MIT获得“三维打印技术”专利。是类似于已在二维打印机中运用的喷墨打印技术。1995 年 - Z Corporation 获得麻省理工学院独家授权，并开头开发基于3DP 技术的打印机。1996 - Stratasys 公司推出“Genisys”。1996 年 - Z Corporation 推出的“Z402”。1996 年 - 3D Systems公司推出“ACTUA 2100”。 “3D 打印机”最早是用来表示全部的快速成型机。1997 年 EOS 将它的立体光敏成型业务出售给3-D Systems，但 EOS 照旧是欧洲最大的生产商
9、。图 1 查尔斯赫尔与世界上第一台商用 3D 打印机2023 年 Z Corp.推出的Spectrum Z510。这是市场上第一台高清彩色三维打印机。2023 年 - 一个名叫Reprap 的开源工程启动 - 其目的是开发一种能自我复制的3D 打印机。您可以在GNU 通用公共许可证的条款下任意改装和/或改造它。2023 年 第一个基于Reprap 的 3D 打印机面世。它可以打印自身所需部件中的约50%。2023 - Objet Geometries 公司推出其革命性的Connex500快速成型系统，它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D 打印机。2023 年 11 月 Urb
10、ee 是第一台 3D 成型轿车。它是史上第一台用巨型3D 打印机打印出整个身躯的轿车。全部外部组件也由 3D 打印制作完成，包括用 Dimension 3D 打印机和由Stratasys 公司数字生产效劳工程RedEye on Demand供给的Fortus3D 成型系统制作完成的玻璃面板。2023 年 12 月 8 日 Organovo 公司，一个留意生物打印技术的再生医学争论公司，公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据资源。2023 年 1 月 - 美国康奈尔大学的争论人员开头建立3D 食物打印机。2023 年 1 月 - 荷兰 3D 打印机制造商Ultimaker 将打印速度提升到
11、 300 毫米/秒，喷头移动速度到达 350 毫米/秒。2023 年 6 月- Shapeways 和 Continuum Fashion 时尚公司公布了第一款 3D 打印的比基尼泳装。2023 年 7 月 在英国埃克塞特大学领导下的布鲁内尔大学争论组及应用程序开发商Delcam 公司的争论人员呈现了世界上第一台巧克力3D 打印机。2023 年 8 月 - 世界上第一架 3D 打印飞机由英国南安普敦大学的工程师创立完成。2023 年 9 月 - 维也纳科技大学开发了更小，更轻，更廉价的3D 打印机。这个超小3D 打印机的总重量为 1.5 公斤，报价约 1200 欧元。2023 年 10 月 R
12、oland DG Corporation 公司推出了的iModela IM-01。2023 年 1 月- Stratasys 宣布与Objet 合并。2023 年 3 月 - 美国总统奥巴马提出投资 10 亿美元在全美建立 15 家制造业创争论所。2023 年 3 月 - 维也纳大学的争论人员宣布利用二光子平板印刷技术two-photon lithography突破了 3D 打印的最小极限，呈现了一辆不到 0.3mm 的赛车模型。2023 年 4 月 - 经济学人发表专题文章，称 3D 打印将是第三次工业革命。2023 年 5 月 - 3D Systems 推出世界首款开箱即用 3D 打印机
13、Cube。2023 年 7 月- 比利时的 International University College Leuven 的一个争论组测试了一辆几乎完全由 3D 打印的小型赛车。车速到达了 140 千米小时。2023 年 8 月 - 美国政府宣布首个 3D 打印争论所将建在俄亥俄州。2023 年 9 月- Makerbot 推出收款非开源桌面 3D 打印机Replicator 2，售价约为 2400 美元。2023 年 10 月 - Shapeways 在纽约开设第一家实体店。2023 年 11 月 - 苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D 打印机打印出人造肝脏组织。2023 年 11 月 -
14、 中国宣布是世界上唯一把握大型构造关键件激光成型的国家。2023 年 12 月 - 美国分布式防范组织成功测试3D 打印的枪支弹夹。图 23D 打印枪械2023 年 12 月 - Stratasys 宣布最大的喷墨 3D 打印机Objet 1000，能打 1 米2023 年 10 月 - 全球首次成功拍卖一款名为“ONO 之神”的 3D 打印艺术品。2023 年 11 月 - 美国德克萨斯州奥斯汀的 3D 打印公司“固体概念”(Solid Concepts)设计制造出 3D 打印金属手枪。三、3D 打印方法类型累积技术根本材料挤压熔融沉积式 (FDM热塑性塑料，共晶系统金属、可食用材料线电子束
15、自由成形制造(EBF)几乎任何合金直接金属激光烧结DMLS几乎任何合金粒状电子束熔化成型EBM选择性激光熔化成型(SLM)选择性热烧结SHS 选择性激光烧结SLS钛合金钛合金，钴铬合金，不锈钢， 铝热塑性粉末热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末粉末层喷头 3D 打印石膏 3D 打印 (PP)石膏层压分层实体制造LOM纸、金属膜、塑料薄膜光聚合立体光固化成型SLA光硬化树脂数字光处理 (DLP)光硬化树脂下面具体介绍选择性激光烧结技术的原理、方法及优缺点。选择性激光烧结SLS选择性激光烧结加工过程是承受铺粉棍将一层粉末材料平铺在已成型零件的上外表， 并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，把握系统把握
16、激光束依据该层的截面轮廓在粉 末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进展烧结，并与下面已成型的局部实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进 行一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和 悬臂局部起着支撑作用，不必像SLA 工艺那样另行生成支撑工艺构造。SLS 使用的激光器是二氧化碳激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属，以及一些进展中的材料等。 当实体构建完成并在原型局部充分冷却后，粉末快速上升至初始位置， 将其取出，放置在后处理工作台上，用刷子刷去外表粉末，露出加工件，其余残留的粉
17、末可用压缩空气去除。SLS 的优点1. 可承受多种材料。从原理上来说，这种方法可承受加热时年度降低的任何粉末材料，通过材料或者各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。2. 制造工艺比较简洁。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按承受的原料不同，可以直接生产简洁外形的原型、型腔模三维构件或部件及工具。3. 高精度。依靠于使用的材料种类和粒径、产品的几何外形和简洁程度，该工艺一般能到达工件整体范围内0.05-2.5mm 的公差。当粉末粒径为0.1mm 以下时，成型后的原型精度可达1%。4. 无需支撑构造。和 LOM 工艺一样，SLS 工艺也无需设计支撑构造，叠层过程中消灭的悬空层面可
18、直接由未烧结的粉末来实现支撑。5. 材料利用率高。由于该工艺过程不需要支撑构造，也不像LOM 工艺那样消灭很多废料， 也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速成型工艺中，材料利用率是最高的，可以认为是 100%。SLS 工艺中使用的多数粉末的价格较廉价，所以 SLS 模型的本钱相比较来看也是较低的。6. 生产周期短。从 CAD 设计到零件的加工完成只需几小时到几十小时，整个生产过程数字化，可随时修正、随时制造。这一特点使其特别适合于产品的开发。7. 与传统工艺方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件输出等功能，为传统制造方法注入的活力。8. 应用面广。由于成型材料的多样
19、化，使得SLS 工艺适合于多种应用领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等图 3 选择性激光烧结工艺过程示意图SLS 的缺点1. 外表粗糙。由于 SLS 工艺的原料是粉末状的，原型的建筑是由材料粉层经加热熔化而实现逐层粘结的，因此，严格的来说，原型的外表是粉粒状的，因而外表质量不高。 SLS 工艺中的粉末粘结是需要激光能源使其加热而到达熔化状态，烧结过程中挥发异味。2. 高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要会发异味气体。3. 有时需要比较简洁的关心工艺。SLS 技术视所用的材料而异，有时需要比较简洁的关心工艺过程，例如给原材料进展长时间的预先加热、造型完成后需要给模型进展
20、外表浮粉的清理等。4. 做小件或者精件时，精度不如SLA。SLS 进展趋势与前景SLS 工艺的应用 几十年来，SLS 工艺已经成功应用于汽车、造船、航天和航空等诸多行业，为很多传统制造业注入了的生命力和制造力。随着SLS 技术的进展，工艺、材料的不断消灭，势必会对将来的实际零件制造产生重大影响，对制造业产生巨大的推动作用。四、3D 打印面临的问题材料的限制虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印， 但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有到达成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。争论者们在多材料打印上已经取得了确定的进展，但除非这些进展到达成熟
21、并有效，否则材料照旧会是 3D 打印的一大障碍。机器的限制3D 打印技术在重建物体的几何外形和机能上已经获得了确定的水平，几乎任何静态的外形都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清楚度就难 以实现了。这个困难对于制造商来说或许是可以解决的，但是 3D 打印技术想要进入一般家庭，每个人都能任凭打印想要的东西，那么机器的限制就必需得到解决才行。学问产权的忧虑在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对学问产权的关注变得越来越多。3D 打印技术也会涉及到这一问题，由于现实中的很多东西都会得到更 加广泛的传播。人们可以任凭复制任何东西，并且数量不限。如何制定 3D 打印的法律法规用来保护学问产权，
22、也是我们面临的问题之一，否则就会消灭泛滥的现象。道德的挑战道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的，假设有人打印诞生物器官和活体组织，在不久的将来会遇到极大的道德挑战。花费的担当3D 打印技术需要担当的花费是昂扬的。第一台3D 打印机的售价为 1 万 5。假设想要普及到群众，降价是必需的，但又会与本钱形成冲突。五、打印案例1. 人工耳软骨支架清华大学与中国医学科学院北京整形医院合作，利用熔融沉积制造工艺加工用于治疗耳畸形的耳软骨支架。材料承受生物相容且不降解的聚氨酯，植入后的效果良好，与认得健侧耳朵外形完全全都。图 4 人工耳软骨支架报道光明日报2. 耐克 Vapor Laser T
23、alon Boot著名运动品牌耐克公司就设计出了一款 3D 打印的足球鞋。这双 3D 打印的耐克鞋名为Vapor Laser Talon Boot蒸汽激光爪，整个鞋底都是承受 3D 打印技术制造。不仅看外观看起来很炫，官方称该跑鞋还拥有优异的性能，能提升足球运发动在前40 米的冲刺力气。这双 3D 打印足球鞋基板承受了选择性激光烧结技术，通过一个大功率激光器有选择地将保险丝塑料性颗粒烧结成而成。该技术能使鞋子减轻自身重量并缩短了制作过程，重量仅为158.8 克约 5.6 盎司，减轻了球员的脚步重量。图 5NIKEVaporLaserTalonBoot六、3D 打印将来畅想3D 打印在社会生活中
24、渐渐起到重要的作用。不仅仅在生活中，在航空航天领域也开拓了的征程，使用 3D 打印技术制造火箭零件也不是难事，NASA 正在争论用 3D 打印技术制造出更便利廉价的火箭关键部位，据NASA 推想，打印出的零件最快 2023 年就可以上天。在汽车工业、消费品、商业机器、医疗、学术争论、国防等方面，3D 打印的还用也变得普遍起来。图 63D 打印在各个领域的使用状况美国时代周刊公布了 2023 年最正确制造，一款体积小巧的 3D 打印机名列其中。2023 年，全世界就已经有接近 2.4 万人拥有家用 3D 打印机了。如同前人无法预料 1450 年的印刷术、1750 年的蒸汽机，还有1950 年的半
25、导体对人类进步所带来的影响一样，作为第三次产业革命的成果，我们也无法预料 3D 打印对我们的长远影响。 3D 打印将来进展是一种必定， 一味停留在工业级别进展总是有限度的；3D 打印还有很多问题，比方耗材、设备价格、安全性、专利等问题都是前进道路上已经看到的障碍，但3D 打印的进展和取得的成绩我们同样需要客观评价，科技转变生活为何不是一种好事呢？参考文献：1 赵云龙 先进制造工艺，西安电子科技大学出版社 ，20232 王秀峰，罗宏杰 快速原型制造技术M，中国轻工业出版社，2023.3 云虹，郭毕佳 快速成型技术的典型方法比较J ， 武汉纺织工学院学报，. 4中国机械工程学会 3D 打印：打印将来，中国科学技术出版社，20235王运赣，王宣 三维打印技术3D Printing，华中科技大学出版社，2023 6“打印”器官，光明日报，