3D打印技術(shù)的研究分析

    核心提示：3D打印技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)對某些傳統(tǒng)行業(yè)造成了一定的影響甚至沖擊。隨著3D打印技術(shù)的更新迭代，這種影響將會日益深遠。 3D打印技術(shù)（ThreeDimensionsPrintingTechnology）是快速成形技術(shù)的
　　3D打印技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)對某些傳統(tǒng)行業(yè)造成了一定的影響甚至沖擊。隨著3D打印技術(shù)的更新迭代，這種影響將會日益深遠。
     3D打印技術(shù)（ThreeDimensionsPrintingTechnology）是快速成形技術(shù)的一種，它是將計算機設(shè)計出的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷或砂等可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)[1].該技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機電控制技術(shù)、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術(shù)知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模的個性化生產(chǎn)，可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形。并且可以實現(xiàn)首件的凈型成形，大大減小了后期的輔助加工量，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度。另外，由于其制造準備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量生產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的和單件小批量零件的生產(chǎn)[2].這些優(yōu)勢使3D打印成為一種潮流，目前已在建筑、工業(yè)設(shè)計、珠寶、鞋類、模型制造、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟的重大變革，同時它也是第三次工業(yè)中數(shù)字化制造的重要標志。3D打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個具有廣闊前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。
    3D打印的技術(shù)原理及步驟
    原理
    3D打印技術(shù)是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細胞組織等材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。3D打印機是3D打印的核心裝備，它是集機械、控制及計算機技術(shù)等為一體的復雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(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。與傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造技術(shù)相反，3D打印遵從的是加法原則，即逐層疊加原則，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床，能實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，從而大幅降低了生產(chǎn)成本和縮短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，減少了對環(huán)境的影響，并且能實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計制造，成型產(chǎn)品的密度也更加均勻。
    步驟
    輔助設(shè)計人員使用計算機建模軟件制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，再根據(jù)模型自動分析出打印的工序，之后按下打印鍵，3D打印機就可以把它們打印出來。3D打印與傳統(tǒng)打印原理是一樣的，只是所用的打印原材料不一樣，傳統(tǒng)打印用的是墨水，而用于3D打印的原材料則必須是能夠液化、粉末化、絲化的塑料、金屬、陶瓷或砂等，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學性質(zhì)。
    三維設(shè)計
    三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維立體模型分區(qū)成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。3D設(shè)計軟件是3D打印的數(shù)據(jù)源頭，3D打印所需的模型是由3D設(shè)計軟件創(chuàng)建的，國內(nèi)的3D設(shè)計軟件包括CAD、中望3D、CAXA等。雖然目前3D打印的專用軟件不少，但更為直觀、簡單、實用的3D打印專用軟件還有待。
    切片處理
    3D打印與激光成型技術(shù)一樣，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。每一層的打印過程分為兩步[3]，首先打印機通過讀取文件中的橫截面信息，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將被打印成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可刨出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。
    完成打印
     3D打印機的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，但在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣，要獲得更高分辨率的物品可以先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的高分辨率物品。3D打印的常用材料及主要    技術(shù)
    3D打印的常用材料
    全彩色石膏材料
    材料本身是石膏基粉末，是用粘接劑結(jié)合在一起，同時用噴墨頭嵌入。使用該材料打印出來的產(chǎn)品堅硬，稍脆，但它是唯一一個可以打印全彩色的材[4]，打印出來的樣品色彩亮麗，栩栩如生。
    工程塑料
    工程塑料是被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。主要有以下三種。
    PC材料
    它是真正的熱塑性材料，具備工程塑料的所有特性。高強度，耐高溫，抗沖擊，抗彎曲，可以作為最終零件使用，應(yīng)用于交通工具及家電行業(yè)。
    PC-ISO材料
    它是一種通過醫(yī)學衛(wèi)生認證的熱塑性材料，廣泛應(yīng)用于藥品及醫(yī)療器械行業(yè)，可以用于手術(shù)模擬，顱骨修復，牙科等專業(yè)領(lǐng)域。
    PC-ABS材料
    它是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，應(yīng)用于汽車，家電及通信行業(yè)。
    3D打印
    光敏樹脂
    由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長的紫外光（250-300納米）照射下立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，一般為液態(tài)。一般用于制作高強度、耐高溫、防水等的材料。主要有以下三種。
    Somos19120材料
    它是粉紅色材質(zhì)，鑄造專用材料。成型后直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ?，避免開模具的風險，大大縮短周期。擁有低留灰燼和高精度等特點。
Somos11122材料
它是半透明材質(zhì)，類ABS材料。拋光后能做到近似透明的藝術(shù)效果。此種材料廣泛用于醫(yī)學研究、工藝品制作和工業(yè)設(shè)計等行業(yè)。
    SomosNext材料
    它是白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性較好，精度和表面質(zhì)量更佳，制作的件擁有最先進的剛性和韌性結(jié)合。
    3D打印常用的材料還有尼龍材料、金屬材料、石蠟材料、橡膠材料、生物材料等。
    3D打印的主要技術(shù)
    SLA立體光固化成型技術(shù)
   該技術(shù)的原理是用特定波長與強度的光聚焦到光固化材料表面，從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態(tài)光敏樹脂。特點是成形速度較快，精度相對較高，外形表面非常好。主要用于制造多種模具、模型。
    FDM容積成型技術(shù)
    其原理是將絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，微噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在成型的作品上，冷卻后便完成一層圖形的制作。使用的材料是絲狀材料（石蠟、金屬、工程塑料、低熔點合金絲）。特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，復雜程度原型僅需要幾個小時即可成型。主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?BR>   LOM分層實體制造技術(shù)
    其原理是激光切割系統(tǒng)按照計算機提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓，切割完一層后，送料機構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有熱敏膠的纖維紙等。特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。
    3DP三維粉末粘接技術(shù)
    其原理是先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終工件。使用的材料是粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點是成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，目前其他技術(shù)比較難以實現(xiàn)。主要應(yīng)用在專業(yè)領(lǐng)域。
   SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)
    其原理是先鋪一層粉末材料，控制激光束有選擇性地進行燒結(jié)，使粉末材料溫度升至熔化點，被燒結(jié)分便固化形成圖形，接著不斷重復鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。使用的材料是金屬粉末材料（Ni基合金混銅粉、Ti、Fe、Cu粉末等）。特點是成品精度好、強度相對較高，最主要的優(yōu)勢在于金屬成品的制作。主要應(yīng)用在高端制造領(lǐng)域。
    安全隱患
    3D打印機是能源吞食者
    根據(jù)拉夫伯拉大學的研究顯示，當塑料隨著高溫和激光融化的時候，做一個相同質(zhì)量的模型，3D打印機所消耗的電力能源比注射模塑的方法多約50到100倍。2009年，麻理工學院的環(huán)境友好制造業(yè)項目指出，激光直接產(chǎn)生金屬沉積物（金屬粉末融合在一起）所需電能是傳統(tǒng)鑄造方法和加工方法的好幾百倍之多。正因為如此，3D打印機為小批量生產(chǎn)提供了更好的條件。工業(yè)型的3D打印機并不會在短時間內(nèi)減少我們對煤電能源的使用。
有害的空氣排放物
    根據(jù)伊利諾理工大學的研究顯示，當你在家里使用3D臺式打印機的時候，它可能會對人的健康產(chǎn)生危害。3D打印臺式機在工作時的排放物與點燃一根或是在一個煤氣爐或電熱爐上做菜時所產(chǎn)生的排放物相類似。2013年有一項研究第一次去測量3D臺式打印機產(chǎn)生的空氣中的顆粒排放物。當塑料融化、打印小型物體的時候，3D打印機使用PLA長絲以每分鐘20億個的速度放射出極細微的粒子，而使用ABS放射粒子的速度更是高達每分鐘200億個。粒子可以在人體的肺、血管中沉積下來，會影響到人體健康，特別是對于有哮喘病的人。
    對塑料的依賴
    在微小網(wǎng)上曾刊登過一篇關(guān)于ABS和PLA材料的介紹，這兩種都是3D打印過程中常用的材料。而歷史上曾有一次大型的環(huán)境保護運動，就是宣揚從環(huán)保袋到水瓶再到家庭用品都使用可回收的材料代替塑料，旨在減少人們對塑料的依賴性。而最受歡迎的、的3D打印機使用的就是塑料長絲。雖然總體來說，使用原材料能夠減少浪費，但是機器會把沒用過或者是多出來的塑料物質(zhì)留在打印機上，這些塑料副產(chǎn)品最終會進入到垃圾填埋堆里。如果3D打印準備實現(xiàn)工業(yè)化，那么副產(chǎn)品或其他可回收的塑料物質(zhì)就需要被重新利用。
    知識產(chǎn)權(quán)和牌照的戰(zhàn)爭
   一月份的時候，3D System獲得了玩具特許權(quán)持有者Gentle Giant 公司頒發(fā)的合法牌照，諸如霍比特人、行尸走肉、哈利波特、異形和星球大戰(zhàn)。高德納公司曾經(jīng)說過，四年內(nèi)他們公司可能會付給牌照持有者或知識產(chǎn)權(quán)持有者至少1000億美元。3D打印將會改變這一企業(yè)市場的狀況同時也會改變黑市對這些持有權(quán)的供求狀況，法律在這方面一定要下點功夫才行。這一種潛在的數(shù)字化剽竊現(xiàn)狀比得上互聯(lián)網(wǎng)對電影和音樂產(chǎn)業(yè)版權(quán)、商標和非法下載的挑戰(zhàn)程度。微小網(wǎng)上有一篇《3D打印如何挑戰(zhàn)知識產(chǎn)權(quán)》的資訊，就很好地討論了3D打印對知識產(chǎn)權(quán)保護方面的影響。
管理的漏洞
    第一支成功打印出來的3D已經(jīng)是舊聞了，但是它影響力卻是非常重要。像如今，有許多設(shè)計師在微小網(wǎng)上的分享的3D作品深受3D愛好者的喜愛和歡迎。全球范圍內(nèi)公司企業(yè)不斷發(fā)展，它們都想要出售這些或是CAD的設(shè)計。Solid Concepts是一家工程公司，它曾經(jīng)用第一把3D打印的金屬發(fā)射出。國會頒布的不可探測法案，禁止不可被金屬探測器或是X射線掃描儀檢測的，又被延長了十年的有效期限。但是，這使法律在管理這一方面存在了一個漏洞：3D打印即使含有小件的金屬也不在這一法案的禁止范圍內(nèi)。如今，在國會對這一問題忽視過久后，立法者正嘗試修復這一漏洞，為此，他們對打印提出了一些特別的要求。
制造商的責任劃分
    武器可以使用3D打印技術(shù)打印出來，那么一些安全設(shè)備如頭盔、自行車車輪和兒童玩具等也可以通過打印出來。當然，這會涉及到知識產(chǎn)權(quán)和商標歸屬權(quán)的問題，但是最大的問題還是責任劃分的問題。如果一個人使用了3D打印的射傷或殺死了某個人，或是使用3D打印的刀具刺傷某人，或是戴著3D打印的頭盔騎著自行車撞斷了別人的脖子，那么誰應(yīng)該承擔這個責任呢？
    生物打印的道德和規(guī)范
    關(guān)于生物打印技術(shù)的道德爭論已經(jīng)開始了。Organovo公司正在與眼科研究中心和推進轉(zhuǎn)化科學中心合作打印肝細胞和眼組織細胞?？茖W家們提議將人體干細胞和犬肌肉細胞混合從而創(chuàng)造出更強大的器官組織。軟骨打印是目前最具有實踐性的生物打印技術(shù)，想要打印出全器官仍然是很多年后才能實現(xiàn)的事，但是3D打印在醫(yī)藥方面的發(fā)展應(yīng)用十分快速。關(guān)于生物打印在道德、種族和法律上的問題也開始出現(xiàn)，隨著生物打印變得越來越普遍，也就不可避免地會導致一場戰(zhàn)爭。
    3D打印的可能性
從分子的角度上使用3D打印機合成化學藥物是有可能的。一位格拉斯哥大學的研究學者創(chuàng)造出了一個能制造和藥物的3DChemputer模型。他想通過讓病人自己拿著從藥房得到的藥物清單就能直接打印出所需藥物的方式，在制藥行業(yè)發(fā)動一場。當然，這仍然有很長的路要走，但是它堅持讓DIY藥物，自己制造出從到蓖麻毒素的藥品成為可能。
對的安全威脅
    國防大學發(fā)出了一份白皮書強調(diào)3D打印技術(shù)對安全方面的威脅性。由于對企業(yè)門來說，還有涉及到很多法律上、經(jīng)濟上的問題以及3D打印機能打印出一系列尚不可控制的產(chǎn)品的可能性。此白皮書還指出，在不久的將來，有關(guān)安全風險的問題是絕對要被探討和分析的。
    與食品有關(guān)的安全問題
    你可以用你的MakerBot打印出一把叉子或是勺子，但如果你使用的是ABS塑料的話，就會含有BPA.幸運的是，為了解決這一問題，人們制造出可放入口中的新的長絲，但這些長絲還沒有被普及。許多3D打印機也會存在如果清洗不干凈時會有細菌滋生的問題。為了使3D打印的食品和廚房用具更加安全健康，就有必要研發(fā)一種含F(xiàn)PA認證的機器。人們大概也不會想吃到有毒的盤子裝著的經(jīng)基因改造的比薩。發(fā)展
    3D打印技術(shù)最早可追溯至1984年，世界上第一臺3D打印機誕生于1986年，引起關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用則是近幾年的事。美國已將人工智能、3D打印、機器人作為重振美國制造業(yè)的支柱，其中3D打印是第一個得到扶持的產(chǎn)業(yè)。我國工信也正在組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長期發(fā)展、3D打印技術(shù)規(guī)范和標準，以及3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。目前，華中科技大學史玉升科研團隊經(jīng)過十多年的努力，已研發(fā)出全球最大的3D打印機，這一3D打印機可加工零件長寬最大尺寸均達到1.2米。與此同時，民用3D打印機市場也在快速崛起，3D打印機制造廠商也在不斷增多[5].
    目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、試制及快速打印成形；個性化產(chǎn)品設(shè)計及快速打印制造；模型制造；醫(yī)療行業(yè)；建筑業(yè)；汽車制造業(yè)；航空航天；食品產(chǎn)業(yè)；教育科研；軍事等行業(yè)中[6].從長遠看，這項技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象，最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來相當長的一段時間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補。
建議
　　為了使3D打印技術(shù)得到更加迅速的發(fā)展，可以采取財稅金融政策上積極支持、積極引導建立行業(yè)協(xié)會，鼓勵研發(fā)，加強教育培訓等措施，進一步促進3D打印的社會化推廣。
    制定數(shù)字化制造規(guī)劃，促進3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展
    建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意、工業(yè)設(shè)計、先進制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財稅金融政策上，鼓勵企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用3D打印，支持3D打印設(shè)備的進出口。
    加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會，推動3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展
    積極引導工業(yè)設(shè)計企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機及材料研發(fā)企業(yè)和機構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學會、協(xié)會的平臺加強研討和交流，共同推動3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標準制定。促進3D打印技術(shù)發(fā)展的市場平臺，包括3D打印電子商務(wù)平臺、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護機制、3D打印及周邊項目投融資機制等，促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
    加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平
    設(shè)立專項基金，重點推進數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績效評估體系，鼓勵各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強對3D打印產(chǎn)學研合作的支持，特別對實施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場銷售、社會推廣上給予政策支持。
    加強教育培訓，促進3D打印社會化推廣
　　將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學科體系，培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會、博覽會、論壇等組織形式進行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動中心等公共機構(gòu)進行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心，推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗。

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