3D打印技术原理及发展应用

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摘  要： 近些年，随着人类科学和社会的不断进步，对加工制造技术也提出了更高的要求，3D打印技术作为一种新型的快速加工成型技术开始逐渐发展成熟起来，在生物医学、建筑、工业设计、美术制作等领域得到了不同程度的應用。本文综述了3D打印技术的发展过程，详细介绍了3D打印技术的基本原理和实现过程，分析了3D打印技术在仿真建模与工艺流程上的具体实现方法，比较了3D打印技术和其它打印技术的优缺点，最后对3D打印技术的发展和未来进行了一定程度的展望。

关键词： 3D打印;仿真3D建模;数控操作

中图分类号： TP391.7    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.039

本文著录格式：张家寓. 3D打印技术原理及发展应用[J]. 软件，2019，40（9）：172-175

Principle and Development of 3D Printing Technology

ZHANG Jia-yu

（Affiliated Middle School to Inner Mongolia Normal University， Inner Mongolia Autonomous Region， Huhhot 010020， China）

【Abstract】： In recent years， with the continuous progress of human science and society， higher requirements have been put forward for processing and manufacturing technology. As a new type of rapid prototyping technology， 3D printing technology has gradually developed and matured， and has been applied in biomedicine， architecture， industrial design， art production and other fields to varying degrees. This paper summarizes the development process of 3D printing technology， introduces the basic principle and implementation process of 3D printing technology in detail， analyses the specific implementation methods of 3D printing technology in simulation modeling and process flow， compares the advantages and disadvantages of 3D printing technology and other printing technologies， and finally makes a certain prospect for the development and future of 3D printing technology.

【Key words】： Three-dimensional printing; Simulation of three-dimensional modeling; Numerical control operation

0  引言

21世纪是一个科技高速发展的时代，为了跻身工业化强国行列，一个国家的工业化加工制作技术显得尤为重要。新时代的加工制作技术有了更多的实现方式，从总体上分为三类：增材制造，减材制造和形变制造技术^[1]。其中增材制造技术又被称为3D打印技术。

3D打印技术^[2，3]是一门涉及机械工程、电子工程、材料学、工业设计等学科的综合技术，是一种新型的加工制造方法。3D打印技术是通过扫描实际物体三维模型或者计算机设计三维物体模型得到物体三维数据，对三维数据进行分层并进行路径规划，最后利用粉末，液体等材料打印成型的一种技术。同减材制造技术相比，3D打印技术速度快，加工精度更高，更加省材，在微小复杂工件的加工制作方面具有更大的优势。目前已经逐步应用于机械关键零部件，奢侈品的创新设计，生物医疗方面器官打印等方面。

19世纪末，3D打印核心制造思想在美国诞   生^[4]。1979年，美国科学家获得早期3D打印技术专利并随后在1985年左右得到了进一步发展具备了3D打印技术的基本雏形^[5]。20世纪80年代后期，市场化的3D打印机正式出现^[6]。进入21世纪，各种基于不同打印材料（液体状、粉末状、片状），不同打印方式（熔融沉积成形、激光烧结、分层实体制造等）的3D打印机不断出现更新^[7，8]。更加廉价实用化的材料，更加快速准确的加工方式，更加多元化的应用领域使3D打印技术具有了更加广阔的前景^[9，10]。

本文详细介绍了3D打印技术的发展背景和基本原理知识，并围绕硬件和软件两方面进行了详细论述，分析了3D打印技术在仿真建模与工艺流程上的具体实现方式，比较了3D打印技术和其它打印技术的优缺点，最后对3D打印技术的发展和未来进行了一定程度的展望。

1  3D打印技术的基本原理

3D打印技术虽然有不同实现的打印方式，但从整体上可以划分为四个步骤：三维扫描建模，分层和路径规划，数控打印，实物成型。

三维扫描建模：在打印之前我们必须首先获取物体的三维形貌，将需要打印的物体用三维轮廓仪进行扫描，记录下被打印物体的三维形貌信息。也可以在计算机上直接构建出想要打印的物体的三维轮廓。

分层和规划路径：3D打印核心原理是分层打印，根据打印物体的材料，打印精度等需要首先确定打印物体的三维轮廓分为多少层二维平面图像，分割的层数越多，打印精度相对越高整体性越好，但是时间花费和加工成本也会相应增加。计算机根据扫描切割而成的多个二维图像进行精密的分析与修改，规划出打印成品所需控制每层所需要走过的路径信息，通常路径规划对于加工样品和质量和加工速度都会产生很大影响。

数控打印：根据规划好的路径信息输入到计算机进行控制相应的硬件进行工作，具体的3D打印技术可以分为很多不同的种类，根据所选材料及外界环境等因素的影响，在实际打印中会选择不同的打印机与不同的打印方式。我们在这里对选择性激光烧结，光固化和熔融沉积造型三种不同的打印方式进行过详细的分析与总结。

实物成型：最后当每层都打印完成后，实物成型，打印结束。

1.1  选择性激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）

选择性激光烧结是1989年美国德克萨斯大学提出，采用一种用特定波长与强度的激光，逐层将粉末材料烧结成型形成三维实体的一种3D打印方式，简称SLS。选择性激光烧结工艺使用的是粉末状材料，根据规划好的路径在计算机的控制下用激光器对粉末材料进行选择性的分层烧结，一层结束后进行下一层烧结操作实现层层堆积。选择性激光烧结的原理图如图2所示。

首先将粉末平铺到已成型工件的上表面，计算机操控激光束根据规划好的路径进行逐层扫描使粉末升温融化进行烧结和已经打印完成的部分融合为一体。当本层打印完毕，工作台进行高度改变，从新铺上粉末进行新层的操作如刚才过程所示直至加工完全成型。

1.2  激光光固化技术（Stereolithography Apparatus SLA）

激光光固化技术是在1984年在美国出现，采用特定波长与强度的激光照射到材料表面使光固化材料逐渐进行凝固成型的一种发展较早的技术，由点到线到面到三维物体，简称SLA。工作时，液态光敏树脂材料放在槽中，采用特定波长与强度的激光照射到材料表面，根据规划好的路径在计算机的控制下用激光器对光敏树脂材料进行逐点扫面，照射到的区域进行固化变成固体，未照射部分还是液体。当前层扫描完毕后，工作台进行高度移动，继续覆盖新的液态光敏树脂在已经固化好的物体上，继续进行上一步操作，直至所有层都固化完毕。激光光固化技术出现时间少，应用通用性强，并且加工精度高，具有不错的加工性价比。

1.3  熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling， FDM）

熔融沉积成型是ScottCrump在1988年提出的。是一种通过把喷头加热使热塑性材料通过时挤出固化粘结成型的3D打印技术。原理过程如下图所示：塑胶通过末端加热头变成熔融状态，在从喷嘴出来时温度降低冷却凝固在一起，通过数控控制喷嘴头的位置改变可以实现逐层的打印。当本层打印完毕，改变平台高度继续进行下一层打印直到打印结束。

1.4  不同3D打印技术的优缺点比较

我们对上述3中3D打印技术进行了总体的分析比较如表1所示。

2  3D打印技术的应用

生物医学应用：目前3D打印在生物医学方面很重要的一个应用是生物打印技术，目前已经有研究报道，骨组织，软管等通3D打印技术实现了再现，随着技术进一步进步，打印人体器官实现移植也会逐步应用到临床中。同其它技术相比，3D打印技术具有更高的准确性，并且可以对生物器官等内部具有复杂结构的物体实现打印再现。另外通过3D打印技术制造的医疗器械也已经慢慢投入生产，更

加满足医生的需求。

超精密器件应用：3D打印技术的一个突出优点就是可以打印一些小的而且结构复杂的物体，对于一些超精密仪器来说，通常不好加工并且价格昂贵，

3D打印技术很好的解决了这一点，举个例子对高精度的光学透镜进行加工。传统的超精密透镜加工步骤繁琐，生产周期长，成本高，通过3D打印可以很好的解决这些问题，目前3D打印对玻璃材料仍處于研究阶段。目前可实现高精度成形控制的方法有熔融沉积成形（FDM）。

在工业方面的应用：摩托车车架、汽车外壳甚至飞机零件等大物品，需要较大的打印机和更大的放置空间，这一技术如今在工业领域得到广泛应用，人们用它来制造服装、建筑、汽车等，颠覆了传统工业的加工制造技术，具有广阔的发展前景。

3  总结

本文详细介绍了3D打印技术的发展过程和基本原理知识、3D打印技术在仿真建模与工艺流程上的具体实现方法、比较了不同3D打印技术的优缺点并对3D打印技术的应用领域进行了介绍。

在人类的生产生活中，难免会遇到生产加工方面的困难。3D打印技术的出现与发展在极大程度上减轻了劳动人民的负担，大大降低了制造的成本和所需时间，提高了人们工作的效率，这对人类现在乃至以后的科技发展生产力提升有着里程碑般的意义。但是3D打印技术仍存在着一些局限性，比如目前打印材料的范围有限，限制了3D打印技术的进一步推广;目前的3D打印很難实现大规模应用，一个很大的原因就是速度仍然不是特别快有待进一步提高，无论在三维信息分层还是每层的路径规划

都有待进一步改进算法，提升效率和准确度，另外材料的选择和成品的耐用性都还有很大的提升空间，如果未来在这些局限因素上多下功夫，我相信这项技术将具有极高的地位与长远的前景。

参考文献

• 李小丽， 马剑雄， 李萍， 等. 3D打印技术及应用趋势[J]. 自动化仪表， 2014， 35（1）： 1-5.
• 刘利刚， 徐文鹏， 王伟明， 等. 3D打印中的几何计算研究进展[J]. 计算机学报， 2015， 38（6）： 1243-1267.
• 卢秉恒， 李涤尘. 增材制造（3D打印）技术发展[J]. 机械制造与自动化， 2013， 42（4）： 1-4.
• 王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高新技术企业， 2012（26）： 3-5.
• 王忠宏， 李扬帆， 张曼茵. 中国3D打印产业的现状及发展思路[J]. 经济纵横， 2013（1）： 90-93.
• 张学军， 唐思熠， 肇恒跃， 等. 3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 材料工程， 2016， 44（2）： 122-128.
• 杨恩泉. 3D打印技术对航空制造业发展的影响[J]. 航空科学技术， 2013（1）： 13-17.
• 杨永强， 刘洋， 宋长辉. 金属零件3D打印技术现状及研究进展[J]. 机电工程技术， 2013（4）： 1-7.
• 邓滨， 欧阳汉斌， 黄文华. 3D打印在医学领域的应用进展[J]. 中国医学物理学杂志， 2016， 33（4）： 389-392.
• 余冬梅， 方奥， 张建斌. 3D打印： 技术和应用[J]. 金属世界， 2013（6）： 6-11.