3d打印技术原理及优点应用领域及目前存在的主要问题【新闻&资讯】

08:15:00来源：贤集 屈苗

3d打印技术是什么？确切的说，3d打印是一种以金属或者塑料等粘合剂作为打印材料，以数字模型为基础进行逐层打印的一种技术。通过电脑与3d打印机连接起来便可以将绘制的图纸打印出模型的一种手段。如今3d打印主要运用于传统制造业、医疗行业、文物保护行业、建筑设计行业和配件饰品行业，而且在这些行业中已经运用的比较广泛，在医疗行业中，3d打印还可以为器官移植患者量身打造所需器官，当然，打印人体器官需要特殊的高分子材料，才能做到不对人体排异！下面贤集来为大家一一介绍关于3d打印技术的相关知识，包括：3d打印技术原理及优点、应用领域、目前存在的主要问题。

3d打印技术原理及优点

一、FdM打印技术

1、技术原理：

FdM(Fused deposition Modeling，熔融沉积)。FdM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下 一层，直至形成整个实体造型。

2、FdM技术的优点：

①操作环境干净、安全，材料无毒，可以在办公室、家庭环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险。

②无需激光器等贵重元器件，因此价格便宜。

③原材料为卷轴丝形式，节省空间，易于搬运和替换。

④材料利用率高，可备选材料很多，价格也相对便宜。

3、FdM技术的缺点：

①成形后表面粗糙，需后续抛光处理。最高精度只能为0.1mm。

②速度较慢，因为喷头做机械运动。

③需要材料作为支撑结构。

二、SLS打印技术

1、技术原理：

SLS(Selective Laser Sintering，粉末材料选择性激光烧结)。该技术采用铺粉将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后，工作台下降一层厚度，铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。

2、SLS技术的优点：

①可用多种材料。其可用材料包括高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。特别是金属粉末材料，是目前3d打印技术中最热门的发展方向之一。

②制造工艺简单。由于可用材料比较多，该工艺按材料的不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。

③高精度。一般能够达到工件整体范围内（0..5）mm的公差。

④无需支撑结构。叠层过程出现的悬空层可直接由未烧结的粉末来支撑。

⑤材料利用率高。由于不需要支撑，无需添加底座，为常见几种3d打印技术中材料利用率最高的，且价格相对便宜。

3、SLS技术的缺点：

①表面粗糙。由于原材料是粉状的，原型建造是由材料粉层经过加热熔化实现逐层粘结的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。

②烧结过程有异味。 SLS工艺中粉层需要激光使其加热达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结时会挥发异味气体。

③无法直接成型高性能的金属盒陶瓷零件，成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。

④加工时间长。加工前，要有2小时的预热时间；零件构建后，要花5至10小时时间冷却，才能从粉末缸中取出。

⑤由于使用了大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受

三、SLA打印技术

1、技术原理：

SLA(Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化)。在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化（SLA与SLS所用的激光不同，SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光）。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。

2、SLA技术的优点：

①发展时间最长，工艺最成熟，应用最广泛。在全世界安装的快速成型机中，光固化成型系统约占60%。

②成型速度较快，系统工作稳定。

③具有高度柔性。

④精度很高，可以做到微米级别，比如0.025mm。

⑤表面质量好，比较光滑：适合做精细零件。

3、SLA技术的缺点：

①需要设计支撑结构。支撑结构需要未完全固化时去除，容易破坏成型件。

②设备造价高昂，而且使用和维护成本都不低。SLA系统需要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。

③光敏树脂有轻微毒性，对环境有污染，对部分人体皮肤有过敏反应。

④树脂材料价格贵，但成型后强度、刚度、耐热性都有限，不利于长时间保存。

⑤由于材料是树脂，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。且固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。

3d打印技术的应用领域

3d打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些 行业需要模型和原型。目前，3d打印技术已在工 业设计、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车）、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展，其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下十个方面。

①设计方案评审。借助于3d打印的实体模型，不同专业领域（设计、制造、市场、客户）的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。

②制造工艺与装配检验。3d打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节，借助3d打印的实体模型结合设计文件，就可有效指导零件和模具的工艺设计，或进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。

③功能样件制造与性能测试。3d打印的实体原型本身具有一定的结构性能，同时利用3d打印技术可直接制造金属零件， 或制造出熔（蜡）模；再通过熔模铸造金属零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。

④快速模具小批量制造。以3d打印制造的原型作为模板，制作硅胶、树脂、低熔点合金等快速模具，可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造。

⑤建筑总体与装修展示评价。利用3d打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。

⑥科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程、地理地形信息等科学计算数据可通过3d彩色打印，实现几何结构与分析数据的实体可视化。

⑦医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术，利用3d打印技术制造器官、骨骼等实体模型，可指导手术方案设计，也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。

⑧首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3d打印制作蜡模，通过精密铸造实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。

⑨动漫造型评价。借助于动漫造型评价可实现动漫等模型的快速制造， 指导和评价动漫造型设计。

⑩电子器件的设计与制作。利用3d打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上，设计制作电子器件和光学器件， 如ＲFId、太阳能光伏器件、OLEd等。

3d打印技术目前存在的主要问题

3d打印技术已经取得了显著的进展，但仍存在以下几方面问题。

①3d打印的耗材。耗材是目前制约3d打印技术广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等，然而3d打印技术要实现更多领域的应用，就需要开发出更多的可打印材料，根据材料特点深入研究加工、结构与材料之间的关系，开发质量测试程序和方法，建立材料性能数据的规范性标准等。此外，在一些关键产业领域，寻找合适的材料也是一大挑战，例如空客概念飞机的仿真结构，要求机身必须透明且有很高的硬度。为符合这些要求就需要研发新型的复合材料。XeroxPAＲC研究中心的研究人员正在致力于可打印电子产品的新工艺研究，但是目前的可用原料还不多。 在打印材料方面，以色列Objet公司处于领先地位。最近，该公司宣布为Connex系列多材料3d打印机新开发了39种新的“数字材料”，可供客户选择的基本材料已多达107种。这些材料的质地、韧性、刚度、强度都各不相同。该公司目前可提供90种“数字材料”，这些材料都是由公司提供的基本材料复合而成，这样可使设计师、工程师和制造商能够非常精确地模拟其最终产品的材料性能。用户使用Connex多材料3d打印机，可以在一个模型中同时使用多达14种不同硬度和透明度的材料。 此外，目前对金属材料进行3d打印的需求尤为迫切，如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等，但目前这些打印技术尚未完全突破。

②3d打印机本身。据报道，世界上目前只有一 种3d打印机能够同时打印出多种材料的产品。由于3d打印工艺发展还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求，只能做原型使用。 3d打印产品由于采用叠加制造工艺，层与层之间连接得再紧密，目前也很难与传统锻件相媲美。

③3d打印的价格。目前， 3d打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。目前，1kg打印材料少则几百元，多则要4万元左右，因此3d打印技术在一段时间里还无法全面取代传统制造技术。但是在单件小批量、个性化订制和络社区化生产方面，对于大多数产品来说，不管打印1件还是100件，价格都相差无几，因而3d打印具有无可比拟的优势。

④知识产权的保护。3d打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模，而取决于创意。然而，单靠创意也是很危险的，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品，极有可能就像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。

⑤3d打印机的操作技能。3d打印技术需要依靠数字模型来进行生产，但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设计工具（CAd）还是有一定难度。但随着社会发展，未来会有越来越多的学生学习并掌握这方面的技能，而且企业也会提供一些简单的产品数据库，用户不必学会3d设计技能就能制作模型，就像傻瓜相机的发展一样。

⑥政策方面。3d技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。如在医疗领域，可能会因缺少食品和药品监管部门的许可，造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。

以上是贤集为大家讲述的3d打印技术原理及优点、应用领域、目前存在的主要问题。随着人口的不断增长，城市化进程的发展，人们对空中交通的需求不断增加，这促使了航空航天部门的扩张，而这又促进了飞机需求的增长。印度和中国等亚太地区国家就经历了空中交通需求增长，飞机制造商也因此增多。”航空航天工业所需的发动机结构件能用3d金属打印技术制造。由于3d金属打印技术制造出的发动机结构件更轻，并且质量更稳定，使得这种技术在飞机制造商中越来越受欢迎。从行业发展的角度来看，整个3d打印产业链都存在巨大的潜在发展空间，对人才的需求也会越来越大。

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