浅析快速成型技术RP的发展和应用

　　摘 要：本文简要介绍了3D打印的发展和技术原理，介绍了3D打印技术在教育、制造业、医学、建筑以及个性化产品创作等领域的应用和最新发展。 　　关键词：3D打印；原理；应用；个性化设计 　　快速成型技术是根据三维数据模型通过材料添加方式直接制造实物模型的技术，其最大特点是成型过程不受零件复杂程度的限制，因而具有很大的柔性，特别适合于单件、小批量零件和批量生产前样件的制造。但是由于受工艺本身的限制，RP（又称3D打印技术）方法制造的零件一般精度和强度较低，很难将其作为最终零件或模具使用，通常只能作为样件或模具母模。RP技术是快速制造技术的一种形式，它采用分层加工叠加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体。3D打印技术是一种综合性的应用技术，它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的技术。 　　1 RP（3D打印）技术原理 　　RP技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术，一本书可以看成由若干页纸（二维薄片）组成的立方体（三维实体），通过离散三维数字模型，获得材料堆积的路径、限制和方式，依据离散所得的数据堆积材料，制造三维实体，这种技术具有高度柔性、高度集成、快速性和降维制造等特点。 　　1.1 三维建模 　　通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据 ，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用UG＼PROE等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。 　　1.2 分层切割 　　由于描述方式的差异3D打印机并不能直接操作3D模型， 当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理.即将模型切分成一层层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。 　　1.3 打印喷涂 　　由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复。或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。 　　1.4 后期处理 　　模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面，这时需要对模型进行后期加工。如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。 　　2 3D打印技术的应用 　　2.1 3D打印的教育应用 　　3D打印为教育行业打开了一扇新窗口，一些教育机构和组织正在研究、探索如何将该技术应用到教学和学习中，学生不仅可以享受到这种最新潮技术辅助教学的便利以及各种创新用法。还可以此作为促进他们学习设计技能的推动力，更会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远的影响。美国弗吉尼亚大学的学生通过3D打印技术制造出一架模型飞机并成功试飞，飞机的所有零部件都是通过3D打印制造的。 美国国家科学基金会NSF的数字图书馆项目提供了很多3D动物和器官结构模型，包括无脊椎和脊椎生物，很多是已灭绝生物。该项目的参与者正在扫描并打印复制古人类化石。哈佛大学博物馆的研究人员也在利用计算机为收集到的残缺古代器具、化石等建立模型，然后用3D打印出复制品。 　　2.2 航空、汽车和电子制造领域 　　3D打印技术适应用于多品种、小批量、结构复杂、原材料昂贵的结构制造。因此在航空、汽车和电子制造领域有很广泛的应用。该技术在航空领域的应用主要集中在外形验证、直接产品制造和精密熔模具铸造的原型制造。欧美已将3D打印技术视为提升航空航天领域水平的关键技术之一。波音公司利用三维打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件。2011年，英国南安普顿大学工程师使用3D打印技术制造出世界首架无人驾驶飞机。在汽车制造行业，3D打印技术多用于制造汽车的零部件。在电子制造方面，我国国内多所高校开展了3D 打印技术的自主研发，中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。 　　2.3 医学领域 　　如果有人因交通事故，需要更换钛合金的人造骨骼，以前只有大、中、小三种型号，可用而不适用。通过CT扫描获取患者的图像数据后，利用3D打印机打印出百分之百符合需求的人造骨骼。如今，3D打印的骨植入物、牙冠、助听器已经存在于世界各地成千上万的人体内。科学家正在尝试用3D打印机直接打印活性组织和新器官。如果变成现实，器官捐献将不再需要，人将摆脱疾病、残疾。2009年，美国ganovo公司首次使用3D打印技术制造出人造血管。2010年澳大利亚Invetech公司和美国ganovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官。英国赫瑞瓦大学和一家干细胞技术公司合作，开发出一种真空阀门式3D打印技术，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围，这一突破使得利用人类胚胎干细胞来打印移植用于人体组织和器官称为可能。 　　2.4 建筑工程领域 　　3D打印技术日益完善，不仅可以打印小件物品，这项技术业已冲击到传统的建筑行业。在建筑行业里，设计师已经接受了3D打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，而且制作精美。完全符合设计者的要求，同时能节省大量材料与时间。可应用于建筑模型风洞实验和效果展示。2011年3月，materialse 公司打印出一个微细的工厂模型，植物燃气公司 Linde AG的微缩工厂缩小模型被完全逼真的打印制作出来。世界上首台大型建筑3D打印机用建筑材料打印出高4米的建筑物，打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质粘合物，在粘合物上喷撒沙子可逐渐铸成石质固体，通过一层层的粘合物和沙子结合最终将形成石质建筑物。这种3D打印机制造建筑物的速度比普通建筑方法快4倍并且减少一半的成本，几乎不浪费材料，对环境十分环保，它能够很容易地打印其他方式很难建造的高成本曲线建筑。 　　2.5 个性化消费领域 　　独一无二具有巨大的吸引力，个性化的产品会逐渐成为市场主流。这是一个广阔的市场。3D打印最吸引人的地方就是可以按照我们自己的想法生产物品，比如手机外壳、珠宝饰品、服饰、鞋类、创意作品、人的三维模型等，定制化将成为常态。3D 打印技术可以打印各种日常小模型，这些模型不同于大批量的流水化产品，它可以完成随心所欲的个性化设计。2011 年，University of Exeter 的研究人员设计了一台可以打印巧克力的 3D 打印机。纽约一家创意消费品公司通过在线征集用户的设计方案，以 3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品。另外，BCC报道3D打印机打印出个性化3D巧克力。 　　3 D打印国内现状和发展面临的问题 　　自上世纪 90 年代起， 我国的科研机构也已经开始研发自主知识产权的3D打印机，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、 西安交通大学等高校都取得了不俗成绩，基本与西方发达国家处于同一水平，研制出了多种类型的3D打印装备和材料。其中，北京航空航天大学率先研发出飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术，这是国际上3D打印领域内的重大突破。但是受制于材料、成本、制造精度等多方面的因素，3D打印技术不可能替代传统制造业，只是制造业的一个完美补充。3D 打印机的普及还面临着很多困难，但随着技术的不断进步，很多我们现在担心的问题都会迎刃而解。 　　参考文献 　　[1]王灿才.3D 打印的发展现状分析[J].丝网印刷，2012，9：37-41. 　　[2]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. 　　[3]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，2013，1：62-67.