未来智库 > 3D打印论文 > 【浅析3D打印技术及其面临的问题】
    关键词:3D打印技术;3D打印工作流程;问题
    1 3D打印技术的概念
    3D打印技术起源于20世纪80年代出现的快速成形技术[1],又称为增材制造技术,与我们传统制造业的减材制造不同,无需原胚和磨具,根据计算机生成的三维数字模型,使用离散材料(如液体、粉末、丝、片、板、块等)等成型材料,以一层一层打印的形式来生产三维实体模型,简单来说就是,通过把3D模型分层成为若干个二维的横截面,而3D打印机通过一层一层堆积的方式把分层的二维的横截面进行打印,最终制造出我们所需的实物模型,3D打印是近年来制造领域的一个重大成果,被认为是第三次工业革命的前奏,涉及到材料、机械、电子、计算机等多个领域。
    2 3D打印的工艺流程
    随着材料技术的发展,以及对3D打印方法的研究,3D打印技术呈现出“百花争艳”的局面,不过,目前用的较多的技术有:光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)、选择性激光粉末烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)等,尽管他们的成型工艺各有不同,但他们的完整工艺流程大致都包括三个部分,可分为前处理,3D打印,后处理。
    2.1 前处理阶段
    2.1.1 生成3D模型
    利用CAD或建模软件或通过三维扫描设备等来获得需要加工产品的CAD模型(即3D模型);要实现3D打印,3D模型是前提和基础,但是,在大多情况下,由于设计模型的人在设计模型时并没有考虑到3D打印的具体需求[2],这样就导致很多3D模型需要经过处理后才能输给3D打印机,通常,为了避免打印出的模型无法正常发挥功能,我们一般需先对3D模型作一些修正,然后再把修正后的3D模型打印出来,目前对3D模型的修正都是通过几何的方式。
    2.1.2 转换数据格式
    转换数据格式就是将经过修正后3D模型转化为STL文件格式,STL文件结构简单,且大多数的商业软件均可以输出STL格式3D模型文件,同时STL文件是通过三角网格的方式近似地描述实体模型的表面。
    2.1.3 切片计算
    根据前面所讲,3D打印机通过一层一层堆积的方式把分层的二维的横截面打印出来,所以我们再进行开始打印之前,还需要把3D模型切成许多个二维的横截面,每一个二维的横截面层对应着一个物理薄层,这就是我们所说切片计算,通常我们是通过计算机辅助设计技术来切片的,切片的厚度可以由设计者决定,可以等厚分层,也可以适应性分层,这样将3D模型变成一系列小单元,这样就得到了一系列的二维分层切片;而后按照每一个二维分层切片的轮廓信息,来形成数控代码。
    2.1.4 打印路径的规划
    打印路径是最终3D打印机进行打印时,生成模型的路径,通过在由切片计算所得到的横截面中填充平行线,然后再由横截面进行截取,再按照一定顺序把填充线段连接起来,就构成了打印路径。打印路径的优化可以提高加工速度,同时也可以简化支撑结构。
    2.2 进行3D打印
    3D打印机打印时,主要是通过上述切片及打印路径信息生成的代码来控制整个打印过程,通过从下到上打印出每一个横截面并层层叠加,最终形成我们所需的打印模型,在这个过程中根据3D打印机打印的技术不同,其具体过程也会不一样,但大致可分为两大类,一类以熔融沉积成型技术为代表,热塑性液态或固态材料由动力系统送至热喷头,由热喷头加热或熔化成半液态物质后,向对应的坐标挤压出来,在平台上冷却后形成3D打印截面并将此过程不断循环,最终形成我们所需三维实物模形,另一类以三维打印技术为代表,由动力系统在加工平台上送出定量原材料粉末,打印头向需要成形的区域喷出特殊的黏合剂,有喷黏合剂的粉末会迅速凝结固化,而没有喷黏合剂的粉末就不会凝结固化,如此不断循环操作直至完成。
    2.3 后处理
    经过3D打印机打印出来的物体并不是成品,还需根据自身的需要进行后期加工,来达到可以使用的标准。
    3 3D打印技术发展面临的问题
    自从上世纪90年代以来,我国许多高校科研团队对3D打印技术及相关应用进行了深入的研究。经过多年探索,在3D打印技术上也取得了长足的进步,部分技术处于世界先进水平,不过,我们也应该看到,中国的3D打印产业还处在初级发展阶段,远远比不上发达国家的水平,同时也没有完全打开应用市场,离大众化的普及还有一段距离,归纳起来,要想进一步扩展3D打印产业应用空间,还将面临以下几个问题。
    (1)价格方面:目前3D打印机造价普便较高,即使有公司推出――廉价的家用3D打印机,而这种打印机只能打印ABS塑料,打印成型的工件应用范围窄。另一方面学习使用的成本也比较高,学会应用3D打印机需要掌握三维建模知识,才能打印出自己想要的东西,这些都给3D打印的进一步普及带来了一定的困难[3-4]。
    (2)打印材料方面:3D打印的关键在于材料。材料必须拥有许多特性,如凝固迅速等。虽然我国也研制了一些适合3D打印的材料,但大部分还依赖进口,并且材料价格昂贵。同时现有的成型材料大多是化学聚合物,选择范围有限,同时物理特性也较差,这也给其安全性带来了一定的隐患。
    (3)成品精度方面:目前通过3D打印技术制造的成品,其精度大多达不到所使用的要求,打印效率也不适应规模化生产的需求,而且受3D打印机工作原理的限制,速度与精度之间存在严重冲突。此外,打印出的产品没有经过热加工,其硬度、强度、刚性、耐疲劳性等机械性能都无法与铸件、锻件相比,同时目前的打印机并不能实现大尺寸零件的制造。
    (4)知识产权问题:3D打印技术成熟之后,由于现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求,这些传统制造流程中受到知识产权保护的各类创意设计产品和工业制品将不可避免地被大规模盗版,这将引发新一波知识产权问题。
    (5)缺乏标准:整个行业各自为战,缺乏统一的标准,没有形成整体战斗力,同时3D打印的产业盈利模式也不明确,也不利于整个行业的发展。
    此外还有社会安全问题,如犯罪分子可以用打印机设计提款卡、钥匙、枪支或其他危险物品等,同时现有的3D打印机基本上都采用塑料作为打印材料,这将加重地球的环境负担,不利于环境保护。
    4 结束语
    虽然3D打印技术目前还有许多局限性,但3D打印技术能够很好地填补传统制造业的不足,所以从中长期来看,3D打印产业发展前景广阔,随着3D打印技术的进一步发展和完善,它将给人们生活带来更多便利。
    参考文献
    [1]万长征,赖小龙.3D打印的原理及应用[J].数字技术与应用,2014(9):93.
    [2]刘利刚,徐文鹏.3D打印中的几何计算研究进展[J].计算机学报,2015(6):1243-1245.
    [3]邱青松,曾忠.3D打印技术的优越性与局限性[J].印刷质量与标准化,2015(2):20-21.
    [4]王贤勇.3D打印行业新情况及待解决问题[J].机械研究与应用,2015(4):239-240.
    作者简介:尹生妹(1984-),女,江西吉安市人,学历:硕士研究生,职称:讲师,研究方向:现代教育技术在高职教学中的应用,数字印刷技术及应用研究。
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