3D打印技术综述

摘要：3D打印作为近年来的一种新兴技术，已经广泛应用于机械制造、航空航天、军事装备等多个领域，展现出广阔的前景。本文从原理、技术、设备、应用以及发展趋势等方面，对3D打印技术进行了分析和综述，为探索如何在车辆维修，尤其是在应急维修中运用3D打印技术，解决备件种类繁多、特殊件不易获取、器材支援不及时等现实问题提供参考。

关键词：3D打印  综述  应急维修

中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0202-02

近来，“3D打印”这个词在媒体上出现的频率极高，不但能打印模具、自行车，还能打印出手枪等武器，甚至能够打印出汽车、飞机等大型设备装备。作为一种新型制造技术，3D打印已展现出了十分广阔的应用前景，不但在交通、医疗保健、军事以及教育等机构得到充分利用，而且在装备设计与制造、装备保障、航空航天等更多的领域展现出了强劲的发展势头[1]。

1 3D打印的概念和原理

1.1 基本概念

与传统的减法制造工序（通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状）相反，3D打印技术是一种增材制造技术（Additive Manufacturing），即通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品，因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。3D打印机具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点[3]。

1.2 基本原理

首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型（也称为计算机辅助性设计），然后把胶体或粉末等“打印材料”装入打印机，再将打印机与电脑相连接，通过打印设备软件读取设计绘图数据，并将数据传输至3D打印机，从而控制印刷头的移动与材料输出。在3D打印机工作时，塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态，然后通过印刷头输出，精确地沉积成极其细微的分层，把“打印材料”和三维立体模型一层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物。

印刷头只沿水平方向或垂直方向移动，模型与支撑材料将自下而上地构造。在构造模型时，有了支撑材料的承托，模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。打印工作完成后，支撑材料将会自行溶解，还可按需为模型涂上颜料或者进行其他处理[4]。

1.3 3D打印的特点

（1）精度高。目前3D打印设备的精度基本都可控制在0.3mm以下。

（2）周期短。3D打印无须模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。

（3）可实现个性化。3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来。

（4）材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。

（5）成本相对较低。虽然现在3D打印系统和3D打印材料比较贵，但如果用来制作个性化产品，其制作成本相对就比较低了[5]。

2 3D打印技术

2.1 概述

3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术。它源于军方的“快速成型”（Rapid prototyping，RP）技术，基本原理都是叠层制造。RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆砌法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一项重大成果[6]。它集机械工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身，可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段[7]。

2.2 主流技术

RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。

（1）3D打印成型技术。使用标准喷墨打印技术，将液态连接体铺在粉末薄层上，逐层创建各部件。此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持，并且所有未使用的材料都可再利用，所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点[8]。

（2）光固化成型法。以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状界面轨迹，使液体树脂固化，层层叠加，最终得到一个三维实体模型。特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制造出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性，不符合绿色制造发展趋势。

（3）分层实体制造法。或称为叠层实体制造，是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高，缺点是前、后期处理费时费力，且不能制造中空结构件。

（4）选择性激光烧结法。常采用金属、陶瓷、AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。特点是材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件，造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。

（5）熔融沉积制造法。又称为熔丝沉积制造，是以热塑性成型材料丝为材料，逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染[9]。

以上是一些目前市场上主流的3D打印技术，除上述技术外，一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。

（1）Objet PolyJet MatrixTM技术。该技术由以色列Rehavot高新科技开发区Objet Geometries公司提出，是3D打印的一个革命性的突破，可以为普通消费品、电子消费品、汽车及其他制造商就双色注塑模具提供强大的解决方案，更好地减少成本和降低风险[7]。

（2）PolyJetTM技术。PolyJetTM技术是ObJet公司2000年时在全球最先推出的，先用喷嘴将感光材料以16mm的厚度喷涂在基材上，然后用紫外光固化，再喷涂一层，再固化，如此反复，直至完成打印。

（3）ObJet StudioTM软件。实质上是一个客户端/服务器软件，可以快速、高效地构造高质量、高详细程度的模型，可以接受任何三维CAD应用程序的文件，将其分割，驱动打印喷头喷出一层层成型材料，完成模型的构建。

（4）Direct Metal（SLM）技术。采用激光烧结粉末成型，制成的三维模型一般是金属模型，应用领域比较广，可应用在医学、航天和高精度工程领域的零部件制作。

（5）Voxeljet Systems技术。也是一种固化成型技术，成型的模型较大，适合于交通运输和医学方面的应用[10]。

3 3D打印设备

3D打印设备目前比较出名的公司主要有Z-Corporation公司、3D System公司、Objet Geometries公司和Stratasys公司（后两者于2012年4月宣布合并）等[11]。其中3D System公司的实力最强，代表了3D打印目前的技术水平和未来的发展趋势，能够为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。

3D System公司的3D打印系统可分为个人用户解决方案、专业用户解决方案和工业用户解决方案等。

（1）个人用户解决方案。主要特点是多功能、低成本，是入门级产品。BotMill是小型的办公类型的3D打印系统，主要打印一些小的物件。RapMan主要用于学校教学或爱好者打印塑料模型。3Dtouch也是一款用于教学、家庭和办公领域的小型3D打印机，精度为0.125mm，设备总体质量也只有38kg左右。

（2）专业用户解决方案。专业版的ProJet系列主要针对办公和小型工业设计领域，包括1000、1500、SD3500、HD3500、6000、7000等，支持单色和彩色模型的打印。此外还有Zprinter系列的6种3D打印机[12]。

（3）工业用户解决方案。工业产品解决方案中主要有四种不同的技术。在光固化成型技术方面，考虑到要满足不同客户的需要，打印尺寸和配置要求也不同，机型也略有区别;在选择性激光烧结法方面，精度可以达到0.08mm，最大的成型尺寸可以达到550mm（X）*550mm（Y）*750mm（Z）。在SLM技术方面，目前有sPro 125 SLM Printer和sPro 250 SLM Printer两种机型，速度为（5～20）cm3/h，每层厚度为（20～100）mm，打印模型大小分别为125mm*125mm*125mm和2 50mm*250mm*320mm。在voxeljet systems技术方面，有两种机型：VX500和VX800，打印模型大小分别为500mm*400mm*300mm

和850mm*450mm*500mm[13]。

Stratasys公司的Dimension 3D立体打印机由RP技术转化而来，其成本低于RP技术，能够测试塑形、适配和功能，并且在桌面上即可随心所欲地进行设计迭代，产品原型可经受严格的测试，不会弯曲、收缩和吸收水分，使用的ABS塑料在日常环境下比较稳定，任何形状的零件精度都不会随着时间推移而受到环境条件的影响，能够制作耐用的功能原型[14]。

另一3D打印大公司Objet公司也具有同样的实力。该公司的产品分为Connex家族（能够打印多种模型材料）、Eden系列（高精度、高品质）和桌上型产品系列（实惠普及型系列）[15]。

4 3D打印应用

目前，虽然对于产品开发和制造来说，3D打印技术能够带来无限的可能性，但是大部分的技术应用主要分成概念模型、功能原型、工具制造、制成品四类[16]。随着技术的发展，3D打印的应用领域在不断扩展。

（1）医学领域。2011年9月，Object医疗解决方案部门负责人介绍，其新型材料非常适合3D打印植入手术导板和口腔输送盘。2011年11月，德国科学家利用3D打印技术成功地研制了人造血管，用3D打印骨骼、器官模型更是轻而易举的事了。

（2）工业领域。现代工业中，很多产品如手机、汽车、飞机等在新产品推出之前要做很多模型和零部件。基于3D打印技术的快速成型，可以大大减少前期研发的时间，被越来越多的工业领域所应用。

（3）个性化领域。随着3D技术的发展，3D打印可以打印各种各样的日常小模型，设备也小到可以放到桌面上。如3D System公司的Cube 3D Printer，可以打印5.5英寸*5.5英寸*5.5英寸大小的立体模型[17]。

（4）航空航天领域。2012年，美国宇航局完成了“添加制造仪器”的测试，该仪器就是利用3D打印技术在太空打印宇航员所需要的模型。这是NASA对太空按需生产能力的投资，使得3D打印机可以广泛运用于建造空间站部件，制造航天员使用的工具、卫星甚至航天器等。研发团队认为，未来在太空利用他们正在制造的打印机可以“打印”出太空所需三分之一的零部件[18]。

（5）军事领域。3D打印技术应用到军事领域，一方面可在军事装备开发阶段获取设计的即时反馈信息，有助于降低成本和提高战技性能;另一方面还可以帮助使用维修人员利用三维模型和3D打印设备，现场快速生产原型产品（包括工具、零配件等），解决平时维修和战时抢修中可能出现备件携带不足、备件不易购买、再造周期较长、特殊备件成本太高等问题，提高维修效率，减轻后勤保障压力，增强部队的任务持续能力[19]。

5 3D打印的发展趋势

未来5-10年，随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印将呈现三个方面的发展趋势：一是随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，3D打印速度和效率有望获得更大提升;二是随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等成为3D打印材料，打印材料更加多样化;三是随着技术进步及推广应用，3D打印设备的价格有望大幅下降[20]。

3D打印诞生后，早期主要用于汽车、航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件，以及皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车整车等各种产品都可以用3D打印机生产出来[21]。

6 结语

3D打印技术自问世以来，就很好地填补了传统制造业的不足，并通过广泛的推广和应用，推动了制造技术的深刻变革和重大飞跃。通过综述发现，该技术在解决特殊件制造等方面存在天生的优势，可以为解决应急条件下尤其是战场环境下的抢修手段不足、特殊备件供应不力等问题提供一种全新的技术途径，值得开展在车辆维修领域的探索和研究。

参考文献

[1]许廷涛.3D打印技术——产品设计新思维[J].全球IT新浪潮，2012.9.

[2]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷，2012.9.

[3]3D立体打印技术——掀起制造技术新革命[J].军民两用技术与产品，2012.12.

[4]左世全.3D打印机技术大潮来袭[J].中国设备，2012.8.

[5]Objet PolyJet MatrixTM技术：3-D打印技术的新方向[J].航空精密制造技术，2008.4.

[6]Dimension立体打印机的优势与应用[J].航空精密制造技术，2008.4.

[7]Pan.3D打印：产品制造的新革命[J].FEATURE，2012.6.

[8]牛建宏.3D打印产业：瓶颈犹存未来可期[J].人民政协报，2012.11.

[9]李忠东.3D打印出来的空气自行车[J].交通与运输，2011.5.

[10]蔡恩泽.3D打印颠覆传统制造业[J].中国中小企业，2012.11.

[11]李晓梅.3D打印或将催生新型工业革命[J].国际品牌观察，2012.10.

[12]3D打印技术[J].太平洋电脑网，2012.9.

[13]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.

[14]吴平.3D打印技术及其未来发展趋势[J].印刷质量与标准化，2014.1.

[15]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”？[J].新材料产业，2013.1.

[16]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.

[17]何岩峰.浅析3D打印技术在武器装备维修中的应用[J].全球IT新浪潮，2014.1.

[18]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼，赛迪研究院专家组译.3D打印：从想象到现实[M].中信出版社，2013.

[19]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.

[20]郭振华，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报，2013.9.

[21]Gartner Inc.Hype cycle for emerging technologies 2012[R].2012.

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