探究3D打印技术的原理及其应用

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　　摘 要：3D打印技术已然来到我们生活中，本文介绍了几种3D打印的原理，提出了3D 的应用现状和趋势。
　　关键词：光固化;叠层实体;熔融沉积成形;激光选区烧结
　　随着社会的发展，科学技术掺杂着制造业已经来到我们的生活中，越来越多的物体利用建模来服务于生活，具有可持续发展的理念，在这种技术的背后，就是我们所说的增材制造，也可以说是3D打印技术。
　　一、3D打印技术的原理
　　3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。下面我们讲解几种3D打印的方式。
　　二、主流3D打印技术简介
　　（一）光固化制造技术
　　光固化树脂是一种透明、黏性的光敏液体，利用光能的化学和热作用使液态树脂固化，控制光能的形状逐层固化树脂，堆积成形出所需的三维实体零件。光照的方式通常有三种，一是通过一个遮光掩膜照射到树脂表面，使材料产生面曝光，二是控制扫描头使高能光束在树脂表面选择性曝光，三是利用投影仪投射一定形状的光源到树脂表面，实现其面曝光，拥有更多效率，利用这种光固化树脂材料的方法通常称之为光固化法。这种方法也叫SLA方法。
　　此类技术优势是速度快，精度高，快速成型;不足之处是光敏脂材料有毒性，操作人员多加防护。
　　（二）叠层实体制造技术
　　叠层实体制造也称薄形材料选择性切割，涉及机械、数控、高分子材料和计算机等技术，是增材制造技术的重要分支，由激光器、光学系统、X-Y扫描机构、材料传送机构、热压黏贴机构、升降工作台和控制系统组成，这种技术也叫LOM技术。此类技术优势是在成形空间大的物体有优势，原材料成本方面也有优势，不足之处是弹性不够好，容易变形。
　　（三）熔融沉积成形技术
　　融融沉积成形又称熔融挤出成型，由送丝机构、喷嘴、工作台、运动机构以及控制系统组成，丝状材料通过送丝机构不断地运送到喷嘴。材料在喷嘴中加热到熔融态，计算机根据分层截面信息控制嘴沿一定的路径和速度进行移动，熔融态的材料从喷嘴中被挤出并与上一层的材料粘合在一起，在空气中冷化，每形成一层，工作台或者喷嘴上下移动一层距离，继续填充下一层，反复直至成形，要注意的是用料以及喷头内的热平衡，还有3D建模的制作，这种技术叫做FDM技术。此类技术优势是结构简单成本低廉，不足之处是精度不高。
　　喷头热平衡的平衡式如下：
　　进入系统的热流-离开系统的热度+单位时间系统产生的热=单位时间内系统内存储的热
　　Q耗=QMA-QME
　　Q耗喷头中单位时间内的能量耗散，QMA喷头中被带走的热量，QME熔体进入喷嘴的热量。
　　三、3D打印技术的应用
　　（1）工程制造。有些部件生产要求高，传统工艺往往无法达到或者即使达到但成本过高利用廉价的塑料树脂能够制作出令人惊叹的细节内容，呈现出精密的复杂设计具有灵活性，可重复性，可扩展性等等，另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产。
　　（2）教学发展。百年大计，教育为本，近些年，国家对教育投入的成本越来越高，教师可以利用3D技术打印一些教育模型，可以让学生更直观的看到空间结构，发挥他们的想像空间，同时，3D技术利用了一些算法打印，还有CAD的一些知识，可以让学生提前了解一下，培养他们的兴趣爱好。
　　（3）医疗方面。由于3D技术受到物体大小的局限，所以我们可以在打印时候要求精度准确，寻找力的平衡，可以用来打印假肢，帮助更多因为意外失去双腿的人重新站起来，和正常人一样生活。“3D打印心脏”是应用3D打印技术实施人类器官仿制的又一成果。该3D打印心脏可用于心脏解剖的副本，对于练习复杂的心脏手术大有裨益。同时还可以打印“肾脏器官”，但但是目前这些技术还尚不成熟。
　　（4）建筑行业。这项工艺将省去承包商组装单独的部件，然后在地基上搭建组装单独的部件，最终的建筑可以从打印机直接生成，3D打印机只要把焦点在沙子上移动就能把颗粒烧结固体结构，实际上，这项技术甚至可以彻底顛覆传统的建筑行业。与传统建筑行业相比，3D打印的建筑质量会比较好，而且用的人力还少，拥有复杂的曲面壁。
　　参考文献：
　　[1]魏青松.增材制造技术原理及应用[M].北京：科学出版社，2017.10，8-49.
　　[2]属地一书生.3D打印从技术到商业实现[M].北京：化学工业出版社，2017.7，23-37.
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