《中国设备工程》优秀论文选登
智能制造背景下3D打印技术的现状及趋势分析
宋歌
作者单位：安徽工程大学
摘要:在当今世界经济形势下，智能制造技术被人们逐渐接受并得到了充分发展。不断发展的计算机技术、自动化控制技术和新型节能材料等技术在工业制造行业中得到了愈来愈多的应用，而3D打印技术作为一种新型技术，和这些技术互通互联，在未来将会得到充分发展。3D打印可以提高生产效率和精度，在生物制药、建筑结构、纺织服装以及军工器材、医疗等行业，3D打印技术所展现出的特性也使这些行业得到了突破性发展，为未来的智能制造市场开辟出一条创新性的道路。
关键词：智能制造技术；3D打印技术；计算机技术
为了提高3D打印的速度和效率，改善精确误差，要大力发展各种3D打印技术，如多种材料打印、平行打印、大型工件打印等打印方式，提高上述产品的材料外层质量、机械传动摩擦性能，从而使3D打印产品可以直接面向竞争日益激烈的经济市场。发展更加多样化的3D打印材料，如复合材料的智能化制造、三维复合材料的CAD/RP软件化，特别是CAD/RP与软件集成控制软件间能达到无缝对接，帮助设计者通过网络直接控制远程制造，有效地拓展3D打印技术在车辆、服装业等行业中的应用。
当下，3D打印技术主要在产品原型、艺术品、珠宝定制作等方面应用，取代了上述领域内的传统技术。3D打印可以大大提高生产效率和精度。此外，在生物制药、建筑结构、纺织服装以及军工器材、医疗等行业，3D打印技术所展现出的特性也使这些行业得到了突破性发展，为未来的智能制造市场开辟出一条创新性的道路。
1?3D打印概念
3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层添加材料，形成3D实体的技术，不同于传统的去料加工技术，因此也被称为增材制造。
3D打印属于一类综合型运用技术，其有效地融合了数字造型、机电控制、信息、材料化学等前沿技术知识，具有较高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心设备，是集机械、控制、计算机技术为一体的复合型机电系统。主要包括：高精度机械系统、喷涂系统、成型环境等。同时，新的印刷材料、设计、控制软件等，亦是该系统的重要环节。
2?3D打印机的优点
3D打印技术不需要在工厂里操作，台式打印机可以打印小项目人们可以把它们放在办公室、商店甚至房子的角落里，而自行车车架、汽车方向盘及飞机零件等大型物品需要更大的打印机和更大的空间。
3D打印技术最突出的优点是可以直接从计算机图形数据中生成任意形状的零件，无需加工或任何模具，大大缩短了产品开发周期，提高了生产率，降低了生产成本。与传统技术相比，3D打印技术还具有以下优点：放弃生产线降低成本、大大减少材料浪费；还可以生产传统生产技术无法制造的形状，使人们能够更有效地设计飞机机翼或换热器。此外，3D打印技术具有良好的设计理念和设计流程。
采用3D打印技术，生产出的零件更加精致、轻巧。当物料不受生产限制时，其功能可以得到优化实现。因此，与机械零件相比，其重量轻60%，强度相当。
3?3D打印材料
当前，3D打印技术可用的材料也越来越丰富，除了工程塑料、橡胶等软性材料外，还有硬度较高的金属材料、陶瓷材料等。此外，彩色石膏材料、人工骨粉、细胞生物材料、砂糖等食品材料也应用于3D打印领域。
这些用于3D打印的原材料是专门为3D打印设备和技术开发的，不同于普通塑料、石膏和树脂，它们的形态一般是粉末、丝绸、层流和液体。一般来说，根据印刷设备的类型和操作条件，粉末3D打印材料的粒径为1～μm，为了保持粉末的良好流动，粉末应具有较高的球形度。
目前市场上有多种3D打印材料，随着技术的发展和进步，材料种类的更速度也会越来越快。
4?我国3D打印的发展现状
我国在3D打印技术方面也越来越精进，如清华大学早在20世纪90年代便开始研究，现已在现代成型理论、FDM工艺等方面取得了丰富的成果；华中科技大学则在层状固体制造技术方面取得突破，推出系列的HRP成型材料及相应的设备；西安交通大学自主研发出3D打印机喷头，同时开发出相应的UV固化成型系统和与之配套的材料，其中的成型精度有望应用于微制造和光电子器件领域。但总的来说，国内外3D打印技术的研发水平还存在较大差距。
5?3D打印的未来应用
3D打印按需定制，成本相对较低，曾被认为是科幻小说的想象，但到了21世纪初，3D打印已经成为现实，这一趋势将逐渐加速。
首先，3D打印技术能适应各种复杂造型的零件，这是传统制造方法所不具备的。且传统模具制造的过程中，先出毛坯，再将不必要的地方切除，即进行多维加工，或用磨具将金属和塑料熔化到零件中，这种模式仅适合简单的造型，对于复杂造型的零件，通常是将几个不同的模具组合起来，进行焊接，加大了制造的难度，亦产生了材料浪费，且容易由于焊接技术的限制而影响功能。而3D技术则能避免这个问题，再复杂的造型也是“一体成型”。
其次，实现了第一部分的网形成型，大大减少了后期的辅助处理量，避免了外包处理的数据泄露和时间跨度，特别适用于军工、核电等有着高保密性要求的产品和行业。
第三，制造准备和数据转换时间极大缩短，从而缩短了单次试制、小批量周期生产时间，降低了成本。尤其适合新产品开发、小批量零件、试样产品等生产。
3D打印技术正是凭借其高速度、便于使用等优势，取得了全面发展，在不同的领域中得到运用。当前的运用领域主要包括：建筑设计、工业模型、医疗辅助、零部件、动画模型等。特别是在重型机械、高端精密设备、火电等行业得到全面发展。3D打印技术“打印”的产品是一体成型，不存在焊缝等问题，具有更好的结构稳定性，其性能十分良好。
6?3D打印技术的发展趋势
伴随智能制造的全面发展和日益成熟，3D技术水平也在不断提升。未来将朝向更高精度、更便捷的角度发展。因此，提高3D打印技术速度、精度等，促进印刷、连续印刷、批量印刷和多材料印刷等方面，有助于提高产品品质、机械性能等，达到更直接面向产品制造的目的。同时在材料运用方面，不断探索新型材料，如纳米材料、导质材料等，尤其是金属材料直接成型技术，都使当今3D打印技术更适合分布式生产、集成设计和软件集成实现CAD/CAPP/RP集成，促进了设计软件、生产控制软件间的无缝衔接，拓展了3D打印技术在生物医学、建筑、车辆和服装等领域的创造性应用。
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