3d打印技術(shù)原理論文范文
3D打印技術(shù)是打印行業(yè)的新技術(shù)，打印出來的東西比傳統(tǒng)技術(shù)的打印出來的更有立體感。學(xué)習(xí)啦小編整理了3d打印技術(shù)論文，希望能對(duì)大家有所幫助!
3d打印技術(shù)論文篇一：《3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展探究》
摘要：印刷和打印技術(shù)作為信息傳播的重要方式，以平面圖文信息的形式，為人類的文明和進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。3D(三維)打印技術(shù)是在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過逐層二維打印的疊加，在三維立體空間內(nèi)制造出產(chǎn)品。本文主要講述3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，探索限制3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸及其未來發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);印刷技術(shù);發(fā)展前景
0 引言
近年來，我們經(jīng)常會(huì)看到有關(guān)于3D打印技術(shù)的新聞，“3D打印房屋”、“3D打印金屬手槍”、“3D打印自行車”、“3D打印仿生耳”等等，3D打印自問世以來就得到了廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用更是跨越各個(gè)領(lǐng)域。2014年11月末，《時(shí)代》周刊將3D打印技術(shù)列為2014年25項(xiàng)年度最佳發(fā)明之一。全球工業(yè)分析公司(Global Industry Analysis Inc)的研究報(bào)告預(yù)測(cè)2018年全球3D打印市場(chǎng)將達(dá)到29.9億美元。但3D打印技術(shù)也面臨著如制造速度與精度、設(shè)備和材料成本、產(chǎn)品性能、操作的安全性等多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)。提升3D打印的效率和精度，開發(fā)更為多樣的3D打印材料是未來的研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究和探討。
1 何為3D打印
3D打印(Three Dimensional Printing)始于上世紀(jì)90年代，是快速成型技術(shù)的一種。美國(guó)3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印設(shè)備。在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過逐層二維打印的迭加，利用噴頭的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)曲面打印，逐層增加材料來生成三維實(shí)體，其原理圖如圖1所示。其分層加工的過程與傳統(tǒng)噴墨打印十分相似，樹脂、尼龍、塑料、金屬、陶瓷、混凝土等材料經(jīng)過特殊處理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用
目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、家具、航天、醫(yī)療和教育等各個(gè)領(lǐng)域，其主要具有以下應(yīng)用特點(diǎn)：
2.1 模具加工與機(jī)械制造 如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械模具的設(shè)計(jì)與加工，如圖2A所示。相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說，3D打印技術(shù)不需要任何模具或任何機(jī)械加工，既省工又省料，如美國(guó)F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)在制造過程中會(huì)大量使用鈦合金構(gòu)件，如使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法，最大的鈦合金整體加強(qiáng)框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，幾乎不產(chǎn)生廢料，大大節(jié)省了原材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。此外，也可利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性生產(chǎn)，滿足人們的少量和復(fù)雜形狀的個(gè)性化需求。如個(gè)性化藝術(shù)家具的定制和專屬個(gè)性空間的打造(如圖2B)。
在建筑行業(yè)，2014年8月，在上海青浦張江高新園區(qū)，盈創(chuàng)建筑科技有限公司用3D打印技術(shù)24小時(shí)打印了10棟房屋(如圖2C、2D)并交付使用，相關(guān)建筑指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家建筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，開啟了3D打印建筑的新篇章，將來更有望使用3D打印技術(shù)建造整棟別墅。
在航天方面，美國(guó)NASA以及國(guó)外的一些航天公司已經(jīng)就3D打印技術(shù)在航天上的應(yīng)用展開了嘗試，2014年第一臺(tái)3D打印機(jī)在國(guó)際空間站上安裝成功，并打印出扳手等機(jī)械部件，這臺(tái)打印機(jī)由Made in Space公司設(shè)計(jì)制作，該公司是世界首家研究零重力下3D打印技術(shù)的公司。而且3D打印為按需施材，減少了材料的浪費(fèi)，從而降低了生產(chǎn)成本。
2.2 生物醫(yī)療 3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合堪稱醫(yī)學(xué)史上的創(chuàng)造性舉動(dòng)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已開始被應(yīng)用于手術(shù)分析策劃、假體植入物的制造、細(xì)胞或組織打印等方面。
早在2011年，德國(guó)科學(xué)家利用3D打印技術(shù)成功研制出了一種人工血管(如圖3A)，該項(xiàng)目有望被用于人體試驗(yàn)和藥物試驗(yàn)。2014年，University College London的研究人員利用生物“墨水”打印出人造耳朵(如圖3B)，可用于外科整形。目前這種3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省腦科醫(yī)院利用3D打印顱骨為腦積水患兒縮腦，完成全球首例“全腦縮小塑形”手術(shù)。 2.3 考古文物復(fù)制 3D打印技術(shù)在考古文物領(lǐng)域主要用于修復(fù)已經(jīng)破損的古文物。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)時(shí)，需要使用3D掃描儀掃描破損文物，完成數(shù)據(jù)采集，并處理數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的模型之后進(jìn)行打印。在電影《十二生肖》中，先是對(duì)獸首進(jìn)行三維掃描，再使用3D打印技術(shù)打印了獸首的復(fù)制模型，精度和相似度令人贊嘆，且不需后期加工打磨，相信在不久的將來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展改進(jìn)，3D打印技術(shù)復(fù)制文物的精度定會(huì)上升到這個(gè)高度，將不再需要后期處理。
2.4 教育行業(yè) 3D打印技術(shù)也為教育的發(fā)展開啟了新的方向，許多教育機(jī)構(gòu)和組織正探索如何將3D技術(shù)應(yīng)用到教育、教學(xué)中。以高職教育為例，在高職院校中印刷技術(shù)專業(yè)、數(shù)碼印刷專業(yè)、印刷圖文信息處理以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)都可以考慮引入3D打印技術(shù)。
相關(guān)專業(yè)引入3D打印技術(shù)后，可以將人才培養(yǎng)的目標(biāo)范圍進(jìn)行延伸和擴(kuò)大。培養(yǎng)不僅能從事傳統(tǒng)印刷設(shè)備和數(shù)碼印刷設(shè)備的操作，還能使用3D打印機(jī);不僅能完成傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印前制作，還能從事3D打印需要的三維建模設(shè)計(jì);不僅能從事傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印刷工藝與生產(chǎn)管理、印刷營(yíng)銷與業(yè)務(wù)管理，還能從事3D打印設(shè)備的控制和生產(chǎn)管理、營(yíng)銷和業(yè)務(wù)管理的人才。學(xué)生就業(yè)面更寬廣，職業(yè)技能更新，更貼合社會(huì)發(fā)展需要，也必定會(huì)推動(dòng)3D打印設(shè)備的發(fā)展。另外，3D打印技術(shù)可以作為扶持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個(gè)項(xiàng)目，支持大學(xué)生們?cè)缛諏?shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)的夢(mèng)想，讓剛剛走出校園的甚至還在校內(nèi)的大學(xué)生們勇敢地站在科技發(fā)展的前沿，直觀地感受打印技術(shù)帶來的影響與進(jìn)步。
3 3D打印技術(shù)未來發(fā)展前景分析
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2014年國(guó)情咨文的演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任，提出將推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印機(jī)的研究技術(shù)已走向成熟并產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，隨著2015年《中國(guó)制造2025》規(guī)劃的實(shí)施與頒布，我國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的重視和產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃將進(jìn)一步加強(qiáng)。
從中長(zhǎng)期看來3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是設(shè)備和耗材方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴，打印耗材的價(jià)格每公斤幾百到數(shù)萬元不等，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物、石膏等材料，成型品的物理特性較差，金屬材料直接成型技術(shù)有待發(fā)展。三是工藝方面，目前3D打印的精度及效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。四是知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對(duì)的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，如何針對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)。五是公共安全方面，如3D打印手槍，若可從網(wǎng)絡(luò)上下載手槍的三維圖紙，再擁有一臺(tái)3D打印機(jī)就可以打印并組裝手槍，這一潛在問題需要國(guó)家從法律層面進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)督。
4 結(jié)束語
3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。偉大發(fā)明所能帶來的影響，在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代都是難以預(yù)測(cè)的，1450年的印刷術(shù)如此，1969年的互聯(lián)網(wǎng)也是如此，3D打印技術(shù)更是如此。未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化等主要趨勢(shì)。隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸將一一得到解決。3D打印技術(shù)也將被推向更高的應(yīng)用層面。
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3d打印技術(shù)論文摘要篇二：《3D打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用》
摘要：目的：探討3維(D)打印技術(shù)在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用。資料與方法：結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱，調(diào)取2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例CT圖片進(jìn)行3D打印處理，制作骨骼三維立體模型，應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中。結(jié)果：3D打印技術(shù)制作的骨骼三維立體模型有助于加深醫(yī)學(xué)生骨科疾病理解，有助于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生骨科臨床工作興趣。結(jié)論：3D打印技術(shù)制作在骨科臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);臨床教學(xué);骨科
引言
3維(D)打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。該技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工、汽車，航空航天、地理信息系統(tǒng)、土木工程等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。自2013年11月起，我們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)中，取得了滿意的效果。
資料與方法
結(jié)合蘇州大學(xué)臨床七年制臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)大綱，我們調(diào)取蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫資料中2012年1月到2014年6月典型骨科病例15例，提取患者相應(yīng)的德國(guó)西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片(最薄層可達(dá)0.64MM)，利用mimics 10.01軟件，制作成CAD文檔。導(dǎo)入蘇州大學(xué)骨科研究所的Solido SD300快速成型機(jī)，進(jìn)行3D打印處理。Solido SD300快速成型機(jī)將獨(dú)特的PVC工程塑料薄膜一片片地切割，疊置，平均9小時(shí)就可以把患者相應(yīng)的骨骼1∶1三維立體成形。
在《外科學(xué)》骨科部分的課教學(xué)中，比如《股骨頭骨骺滑脫》、《骨盆和髖臼骨折》這些章節(jié)，就一直是教學(xué)上的難點(diǎn)。需要掌握的知識(shí)點(diǎn)較多，內(nèi)容較抽象。我們?cè)趥鹘y(tǒng)的多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合3D模型，加深學(xué)生對(duì)骨科疾病的認(rèn)識(shí)，取得了滿意的效果。
結(jié)果
在《股骨頭骨骺滑脫》章節(jié)的教學(xué)中，過去學(xué)生們對(duì)骨骺滑脫的位移、嚴(yán)重程度分級(jí)以及手術(shù)治療的方案、旋轉(zhuǎn)截骨矯形等知識(shí)點(diǎn)理解較慢。蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨科數(shù)據(jù)庫中于2012年11月收錄了一例左側(cè)股骨頭骨骺滑脫的患者病例資料，于是我們提取患者相應(yīng)的術(shù)前德國(guó)西門子64排螺旋CT薄層平掃圖片導(dǎo)入蘇州大學(xué)骨科研究所的Solido SD300快速成型機(jī)，將患者術(shù)前的患側(cè)及健側(cè)髖臼及股骨近端全部打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型，并將模型帶到課堂。以三維立體模型為核心，結(jié)合課本插圖、患者術(shù)前的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，學(xué)生們對(duì)股骨頭骨骺滑脫的定義、病因、臨床及影像表現(xiàn)有了一定的了解。然后再通過三維立體模型的劃線模擬旋轉(zhuǎn)截骨、術(shù)中實(shí)況照片及術(shù)后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建，學(xué)生們對(duì)股骨頭骨骺滑脫的手術(shù)治療的方案、旋轉(zhuǎn)截骨矯形有了感性的認(rèn)識(shí)，取得了良好的教學(xué)效果。
比如《骨盆和髖臼骨折》這一章節(jié)，也一直是教學(xué)上的難點(diǎn)，同時(shí)也是骨科創(chuàng)傷治療的一個(gè)難題，其原因是髖臼解剖形態(tài)不規(guī)則，而且位置較深，骨折碎片移位復(fù)雜，學(xué)生們難以理解傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)傳統(tǒng)手術(shù)切口較大，手術(shù)中需要反復(fù)預(yù)彎柔性鋼板，耗時(shí)較長(zhǎng)，出血量增加，預(yù)彎過多可致金屬疲勞內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)增加，固定螺釘?shù)男吞?hào)及置釘方向的選擇僅僅憑借X、CT片及術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，易于損傷神經(jīng)、血管、膀胱直腸等盆腔內(nèi)重要臟器。3D打印模型的出現(xiàn)，使得上述問題可以得到較為直觀的解決。3D打印模型的出現(xiàn)，讓醫(yī)學(xué)教學(xué)變得更加簡(jiǎn)單直接。對(duì)于手術(shù)路徑的選擇及細(xì)節(jié)問題的處理更加面面俱到，術(shù)者信心增加，因?yàn)槭中g(shù)切口的變小、手術(shù)時(shí)間的縮短、骨折塊精確的復(fù)位，手術(shù)并發(fā)癥相應(yīng)減少，患者康復(fù)出院的時(shí)間縮短，使得患者直接受益。因此，2012年1月起，復(fù)雜髖臼骨折患者術(shù)前原則上都要制作3D骨和模型，既有利于臨床教學(xué)工作的開展，也有利于患者的康復(fù)。
比如髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折，不光醫(yī)學(xué)生，就是骨科臨床醫(yī)生也一直難于理解，往往將髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折視為手術(shù)的禁區(qū)。在應(yīng)用3D打印模型制作后，髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折就相應(yīng)容易理解了。如2014年5月，我們收治了一例髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折病例男性，67歲，因外傷致左髖疼痛活動(dòng)受限2小時(shí)入院。查生命體征平穩(wěn)，左髖部略腫脹，左腹股溝廣泛壓痛，大轉(zhuǎn)子處叩擊痛，左下肢縱向叩擊痛，左髖主動(dòng)被動(dòng)活動(dòng)受限，左下肢末梢血運(yùn)、感覺可，無神經(jīng)功能受損表現(xiàn)。X片和CT示：左髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折。我們將患者術(shù)前的患側(cè)髖臼打印制作1∶1等大的PVC三維立體模型，在立體模型上設(shè)計(jì)手術(shù)方案，并帶領(lǐng)實(shí)習(xí)同學(xué)骨科教學(xué)查房。針對(duì)既往同學(xué)反映的髖臼骨折難以理解的問題，結(jié)合術(shù)中實(shí)況照片及術(shù)后的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建，在短短幾分鐘時(shí)間內(nèi)，同學(xué)們對(duì)于髖臼骨折中的難點(diǎn)――髖臼內(nèi)側(cè)壁的方形區(qū)骨折一下子就有了形象的理解，并對(duì)手術(shù)方案選擇各抒已見。并通過對(duì)患者查體，對(duì)國(guó)際上較為新穎的髖臼骨折Stoppa入路有了形象的認(rèn)識(shí)和具體的理解。
討論
骨科臨床教學(xué)一直是醫(yī)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，因?yàn)槭中g(shù)涉及眾多骨骼結(jié)構(gòu)，而諸多骨骼結(jié)構(gòu)又是不規(guī)則形，骨科疾病對(duì)醫(yī)學(xué)生的空間想象能力有一定的要求。以往結(jié)合課本插圖、患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查等，盡管內(nèi)容豐富，但缺乏立體直觀性，對(duì)于復(fù)雜的骨科疾病，如髖臼骨折就難以解釋清楚。而3D打印與骨科的有機(jī)結(jié)合，上述問題迎刃而解。
3D打印是當(dāng)今世界最前沿科技之一，這項(xiàng)30年前脫胎于傳統(tǒng)成型制造的技術(shù)，在今天被眾多科學(xué)家與經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱為“人類第三次工業(yè)革命的標(biāo)志之一”。 3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。
我們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科臨床教學(xué)，即3D打印模型，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、病例討論等，收到了滿意的效果，彌補(bǔ)了既往多媒體教學(xué)只能看圖，不能觸摸病例的缺點(diǎn)。既往單純X線片和CT的閱讀與理解需要學(xué)生具有良好的空間想象能力，簡(jiǎn)單骨科疾病如簡(jiǎn)單骨折等學(xué)生們還可以理解，復(fù)雜疾病如髖臼骨折、脊柱側(cè)彎等學(xué)生們往往很難理解，有了3D模型，問題迎刃而解。過去醫(yī)學(xué)生即使觸摸標(biāo)本，也往往是正常人體骨骼標(biāo)本，無法接觸到患者病變的骨骼標(biāo)本，這對(duì)于臨床教學(xué)而言，是個(gè)很大的缺憾。但通過3D打印模型，學(xué)生們既可以看到患者的X線片、CT平掃及三維冠矢狀、三維表面重建、MRI檢查，更可以親手觸摸1∶1等大的患者骨骼標(biāo)本，親手參與設(shè)計(jì)手術(shù)方案，對(duì)于醫(yī)學(xué)生加深骨科疾病理解、培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生骨科臨床工作興趣起到了很大的正面作用。3D打印技術(shù)制作在骨科臨床教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。
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3d打印技術(shù)論文篇三：《談3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)》
摘要：3D 打印技術(shù)是一種新興的快速成型技術(shù)，近一段時(shí)間以來受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。本文分析了3D打印技術(shù)的概念、工作原理，并對(duì)進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 簡(jiǎn)介 工作原理 優(yōu)勢(shì) 展望
3D打印技術(shù)以前主要用來制造一些比較小型的東西。時(shí)至今日，一些大型制造商已經(jīng)開始準(zhǔn)備將其用來制造更大的物件。一些3D打印設(shè)備的制造商認(rèn)為，隨著這種技術(shù)的成熟，將來一些汽車零部件的庫存只需要保留電子文檔，而無需制造出來存在倉庫。一旦有需要，直接打印即可。
一、3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介
3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實(shí)體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造(AM，Additive Manufacturing)。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識(shí)，具有很高的科技含量。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
目前，3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細(xì)加工工藝。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國(guó)Organovo公司合作，嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大意義的創(chuàng)新。
二、3D打印機(jī)的工作原理
3D打印機(jī)的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，通俗地說，首先在電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)完整的三維立體模型(也成為計(jì)算機(jī)輔助性設(shè)計(jì))，然后把膠體或粉末等“打印材料”裝入打印機(jī)，再將打印機(jī)與電腦相連接，就可以通過電腦控制把“打印材料”和三維立體模型一層層地疊加，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這種通過連續(xù)的物理層創(chuàng)建出三維對(duì)象的3D打印技術(shù)是疊加式制造工序的一種形式，與傳統(tǒng)的疊加式制造工序相比，其具有速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
在Windows網(wǎng)絡(luò)或工作站上運(yùn)行的打印設(shè)備軟件可以讀取大部分的3D文件格式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)繪圖數(shù)據(jù)。
這種軟件的作用就是將數(shù)據(jù)傳輸至3D打印設(shè)備，從而控制印刷頭的移動(dòng)與材料輸出。在3D打印設(shè)備工作時(shí)，塑性模型材料細(xì)絲與可溶性支撐材料將被加熱至半液體狀態(tài)，然后通過擠壓頭輸出，精確地沉積成極其細(xì)微的分層。分層的厚度范圍在0.005英寸至0.013英寸(即0.127毫米至0.33毫米)，具體數(shù)值取決于打印設(shè)備性能。
印刷頭只沿水平方向或垂直方向移動(dòng)，模型與支撐材料將自低而上地構(gòu)造，壓盤根據(jù)實(shí)際情況上下移動(dòng)。在構(gòu)造模型時(shí)，有了支撐材料(圖中褐色部分物件)的承托，模型的懸掛部分能夠順利完成材料沉積，此外，支撐材料還有助于構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，如嵌套結(jié)構(gòu)，以及具有移動(dòng)部件的多重組件。打印工作完成后，可以將模型置于水中，支撐材料將會(huì)自行溶解，如果需要，還可以為模型涂上顏料，或者進(jìn)行其它處理。
三、使用3D打印技術(shù)，加快設(shè)計(jì)周期
一項(xiàng)產(chǎn)品停留在設(shè)計(jì)周期的時(shí)間越長(zhǎng)，推向市場(chǎng)的時(shí)間也會(huì)越漫長(zhǎng)，這意味著企業(yè)的潛在利潤(rùn)將會(huì)越來越少。某項(xiàng)調(diào)查表明，產(chǎn)品的上市時(shí)間是受訪者最關(guān)心的日常問題。受訪者同樣表示，在17%的產(chǎn)品中，產(chǎn)品原型制作消耗相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，是縮短上市時(shí)間的最大障礙。
業(yè)界普遍認(rèn)為產(chǎn)品應(yīng)該更加快速地推向市場(chǎng)。隨著縮短上市時(shí)間的重要性越來越大，在設(shè)計(jì)的概念階段，企業(yè)不得不縮減決策時(shí)間，同時(shí)又必須確保所作決定的準(zhǔn)確性。這些決定會(huì)影響大部分的成本因素，如材料選擇、制造技術(shù)以及設(shè)計(jì)壽命。通過快速制作產(chǎn)品模型進(jìn)行測(cè)試，加快設(shè)計(jì)迭代速度，3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，為企業(yè)最大化潛在利潤(rùn)。
例如為專業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)噴漆和紋理設(shè)備的Graco公司，該公司的工程師使用一臺(tái)3D打印設(shè)備去測(cè)試各種噴漆槍和噴管組合，設(shè)計(jì)出最合理的噴流形式和試驗(yàn)出最精確的噴射量，而生產(chǎn)出的新型噴射紋理槍是由3D打印設(shè)備制作的ABS塑料功能原型。3D打印技術(shù)可以幫助減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，Graco公司估計(jì)減少的最大幅度可達(dá)75%。從一個(gè)絕妙的創(chuàng)意，到一項(xiàng)成功的產(chǎn)品，中間充滿著重重困難。GregStevens和James Burley在他們經(jīng)常被引用的新產(chǎn)品開發(fā)分析報(bào)告《3000個(gè)原始創(chuàng)意=1次商業(yè)成功》中指出，除了3000個(gè)原始創(chuàng)意，一項(xiàng)成功的創(chuàng)新還需要125個(gè)小規(guī)模計(jì)劃，4項(xiàng)大型開發(fā)和 1.7個(gè)產(chǎn)品發(fā)布。在評(píng)估創(chuàng)意是否值得投放開發(fā)資源時(shí)，3D打印技術(shù)能夠助企業(yè)一臂之力，縮短傳統(tǒng)評(píng)估所需要用的時(shí)間，提高效率。
四、3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢(shì)
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢(shì)。
提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造;開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個(gè)熱點(diǎn);3D打印機(jī)的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡(jiǎn)便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求;軟件集成化，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造;拓展3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
3D打印技術(shù)提供了一種極具成本效益的方式去完成多次設(shè)計(jì)迭代，在關(guān)鍵的開發(fā)過程初始階段，獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的即時(shí)反饋信息。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾乎即時(shí)的修改，不僅有助于降低成本，而且能夠加快產(chǎn)品上市時(shí)間。對(duì)于在設(shè)計(jì)流程中采用3D打印技術(shù)的企業(yè)來說，無疑增加了明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
隨著價(jià)格的下降，3D打印設(shè)備市場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，尤其是在中小型企業(yè)和學(xué)校方面。3D打印設(shè)備耐用，打印快捷、準(zhǔn)確，成本低廉等好處可以幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
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