3D打印技术设备的现状与发展

　　摘要：随着材料科学和制造工艺的发展，3D打印技术也得到了长足的进步，文中对比分析了3D打印技术与传统机械制造工艺的特点，罗列了不同3D打印制造对于工业生产的优势，介绍了适用于不同材料的3D打印的工作原理，3D打印设备的发展历程和种类，突出介绍了为实现多自由度、高精度打印而设计的多轴和多自由度的3D打印设备。最后，分析了3D打印技术在汽车行业、航空航天和生物医疗等领域的应用及发展趋势。

　　关键词：3D打印技术；3D打印方法；增材制造；先进制造；打印设备

　　3D打印技术不同于传统的“减材制造”技术，它是一种新型的增材制造方式，通过数字化模型离散目标实体模型，在通过材料的层层堆叠方法，逐渐累积出一个目标三维实体的技术。该技术在不使用传动复杂的刀具或模具的情况下，使用熔融材料堆叠成具有复杂的传统工艺难以实现的结构，有效的简化制造工艺，降低生产成本。3D打印技术相较于传统工艺，具有极大地设计自由度，适用于小批量生产，后处理方便，产品可预测性高，并且一体化成型，无需复杂的装配工序，极大简化生产成本。

　　13D打印的成形原理和方法

　　3D打印机作为一种将机械、控制和计算机技术基于一体的复杂一体化成型系统，是3D打印技术的核心设备[1，2]。3D打印机获取到CAD实体模型、CAD实体的分层处理、通过打印机堆叠成型和实体后处理四个阶段，其原理图如图1所示。

　　23D打印方法和设备

　　2.13D打印方法

　　3D打印根据不同实现方法分为熔融沉积式（FDM）、层叠法成式（LOM）、喷墨粘粉式（3DP）、电子束选区融化（EBM）、激光选区融化（SLM）、金属激光熔融沉积（LDMD）、电子束熔丝沉积（EBF）和光固化成型（SLA）[15，16]。如表1所示。以上即是几种3D打印常见的工艺方法，可以根据不同应用环境和背景选择合适的材料和方法进行打印，以达到最好的应用效果。

　　2.23D打印设备特点

　　21世纪初期，由于3D打印技术的初步发展，打印精度低，传播速度慢。直到2008年，RepRap发布了开源3D打印机“Darwin”，开启新的3D打印时代；同年，多种材料的3D打印得以实现[22]。现有的3D打印机的坐标系构型主要包括4种形式，分别是Cartesian坐标系、Delta坐标系、极（Polar）坐标和平面关节（SCARA）坐标[23]，如表2所示。

　　3应用领域与趋势

　　随着3D打印技术的发展和完善，打印实体工件的复杂度也不断提升。3D打印技术逐渐在航空航天、交通运输、工业装备、电子产品、医疗、教育和建筑等方面的到广泛应用。WohlersAssociate搜集包括228家打印技术行业相关商家与企业的营收信息，得到国际快速制造行业权威报告《WohlersRe-ports2019》中统计的3D打印在各行业中的应用的占比如图7所示。从图中可以看出，交通运输、消费电子产品、航天航空、医疗和工业装备占据具有了重要的比重，这也表示了3D打印技术无论在个人消费方向还是高新技术领域都具有广阔的应用前景。

　　3.1汽车行业

　　目前在汽车行业，3D打印技术多是应用于汽车零件设计、模具设计和原型概念设计[33]。零件和原型样件采用3D打印可快速直观的感受设计者的思想理念，也能够明显的发现其中问题所在，从而进行优化产品，实现良性、快速的设计闭环。同时对于部分个性化零部件的设计和维修可以直接制造和安装。由于现阶段3D打印金属件的成本较高且生产效率不高，仅用于部分高端车的性能改进部件。如图8所示为3D打印出的薄壁离合器壳体。

　　3.2航空航天

　　在航空航天领域，3D打印主要用于复杂零件制造、拓扑优化制造、结构功能部件的一体化设计、异种材料制造、发动机快速试制和模拟装配等[34-36]。美国GE公司采用3D打印技术制造出燃油喷嘴部件，如图9a所示，采用一体化制造，通过恰当的热处理达到传统工艺锻造的材料性能[37]。美国AeroMet公司得到美国军方和军机企业的支持，使用激光沉积技术对钛合金结构叶轮进行修复和装机应用[38]。美国Sciaky公司联合Lockheed和Martin等公司于2002年期间对于采用3D打印技术制造大型航空技术零件进行深入研究，并且制造出满足AMS4999标准要求[39-41]，如图9c所示为Sciaky公司生产的钛合金飞机零件。

　　3.3生物医疗

　　3D打印在生物医疗方面的应用主要集中于器官修复和移植、构建软组织支撑、骨骼或口腔颌面植入、美容整形、医学器材和医疗辅助器械等[42-45]。如图10所示为3D打印技术在生物医疗上的应用。在关节外科方面，通过按照患者特定的身体缺陷，打印出独有的矫正器具；在手术内科方面，可以通过打印患者病患模型，进行术前的方案拟定，总结出最优手术方法，提高手术的安全性和成功率，在颌面科、骨科和口腔牙科方面，可以打印出符合患者个人特征的手术导板、助听器、骨组织支撑、义齿或透明牙套，帮助患者整形复原；在康复科方面，打印出舒适方便的康复辅助器具等。

　　结语

　　3D打印技术的蓬勃发展，打印方式的日益多样化，打印设备的精度不断提高，为3D打印技术在交通运输、航空航天、工业装备和医疗设备方面有了极大地运用和拓展，但是也仅仅适用于个别零件的替代、维修和模型的展示作用，还无法真正应用于大规模的工业生产。随着全球各个政府意识到3D打印技术的重要性，并出台了相应的扶植政策，3D打印技术势必会高速发展，走进千家万户，丰富和提高生活水平与质量。

　　参考文献：

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　　刘智1，赵永强1，2