3d打印技术的理解和认识

3D打印技术的目前现状和发展趋势

物联网1501 张河钰 0919150108

3D打印技术（3D printing），是快速成形技术的一种，它是一种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。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。

一、3D打印技术简介

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是医学领域具有重大意义的创新。

二、3D打印技术及产业国际国内发展现状

（1） 国际情况

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。

对于3D打印技术在医学领域应用的认识

首先，什么是3D打印？3D打印（3DP)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。3D 打印技术出现在 20 世纪 90 年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。近年来，随着打印设备和打印材料的不断研发，该技术在医学中的应用得到了长足的发展。

现阶段，3D打印在医疗领域的应用大致分为四个层次。一是快速成型层面，这个层面的应用主要是根据数字影像资料打印出立体三维模型，帮助医生分析病情，拟定手术方案。另外，立体三维模型便于医生与患者沟通交流，这方面的应用在技术上已逐渐成熟。二是利用3D打印技术制造出辅助手术工具或 器 械。由于每台手术 的独特性，需要特定的手术工具或器械以满足医生的特定需求，３Ｄ 打印技术为满足个性化的手术器械提供了技术保障，可以制造出个性化的手术器械用于某例特定手术。三是3D打印技术可直接打印出植入体内的修复体，即快速制造层面。在这个层面上打印出的个性化修复体可以植入到人体内，更好地与病人的病灶结合，做到精准医治疾病。四是组织工程生物活体的3D打印技术，可制造出具有生物活性的人体组织和器官，这是目前生物3D打印的研究热点和研究方向。

在快速成型层面，日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队2015 年

发明与创新

72· ·理论经纬3D打印技术研究现状和关键技术覃捷音（肇庆市技师学院，广东　肇庆　526060）摘　要：随着近年来我国科学技术水平的发展，3D打印技术也实现了显著进步。针对目前国内3D打印技术的不断发展和完善，我们不能安于现状，而是应该寻求发展和突破，从而在获取显著发展成绩的同时，实现对项目的创新。基于此，本文就将对3D打印技术发展现状和关键技术进行研究，希望对这项工作的开展提供有效帮助，实现我国3D打印技术行业领域的先驱发展。关键词：3D打印技术；现状；关键技术3D打印技术也是一种增材制造技术手段，和传统的机加工手段有着较大差异，是在离散和堆积原理上实现的一种制作技术手段。这项技术借助计算机形成零件模板，从而将其切成一定厚度的薄片，在3D打印设备中有规律的堆叠出三维的零件。这种制作技术不需要借助道具或是模具，就能完成传统技术无法实现的工艺手段，同时还可以在简化生产工序的过程中，有效控制工作周期。针对这种情况，本文就将对3D打印技术的发展情况进行详细研究，希望对这项工作的开展提供更准确的指导作用。一、3D打印技术的定义在2011年的时候，著名经济刊物将3D打印作为封面文章，主要对3D打印技术的发展情况进行介绍和研究，文中提到，在今后的社会发展中，将会有越来越多有个性的产品需要在3D打印技术的帮助下进行，因此3D打印技术的出现必然会对世界制造行业的发展产生重要影响[1]。这也让国内外新闻媒体认识到，今后3D打印产业将有着十分广阔的发展前景，是今后我国研究和发展的重要技术之一。3D打印技术中涵盖了很多技术，比如机电控制技术、数字建模技术等等，有着较高的科技含量。3D打印技术最突出的魅力就是这项技术不需要特定在工厂操作，此外在技术的发展和普及过程中，仅仅依靠桌面打印机也可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室商场甚至卧室等等。针对自行车车架、汽车方向盘或是飞机零件等大型产品，则要借助更大的打印机和更大的放置空间对技术进行应用。由于3D打印技术可以在工作中不依靠各种机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，因此其不仅能为我们的生产生活提供便利帮助，还能极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本，所以在当前生活中的优势作用十分显著。此外，3D打印技术在我国众多领域中都得到了应用和发展，使得医学、建筑等行业的创新发展都提供了更大的可能性。二、3D打印技术在国外发展情况在技术发展的几十年中，3D打印技术得到了显著进步与发展，打印工作中应用的材料品种不断增加，这也使得打印结构出现了复杂化发展趋势经研究发现，3D打印技术已经有了很多年的发展历史，随着第三次工业革命的发展，这一技术也受到了国内外众多公司、高校和研究院的关注，在二十世纪八十年代，美国一家公司研发出了第一款工业化的3D打印设备。在几十年的研究和发展中，这一技术已经实现了明显发展和进步，无论是在材料厚度还是技术精准度上都已经实现了较大进步。在3D打印技术发展背景下，美国在上世纪九十年代也对激光熔融沉积成型技术进行了研究和发展。AeroMet公司在短短三年的时间内就实现了3D打印技术在飞机零部件中的应用，这也在很大程度上推动了这项技术的进步与发展[2]。三、3D打印技术在我国的发展现状由于我国对3D打印技术的研究和发达国家相比比较慢，所以在技术发展中仍然存在很多需要改进的地方，经过大量工作人员的努力和创新，我国当前已经初步形成了以高校为核心力量的发展格局，很多关键技术也得到了较大进步，在市场中更是构建起了相关的规模。（一）构建起了高校为核心的技术研发体系在我国发展中，像北京航天航空大学、北京大学等高等院校为了在技术发展中得到更大的优势，相继构建了3D打印技术研究中心，这些高校目前研发和创新的3D打印机已经基本达到了世界先进水平，这也成为了我国3D打印技术发展的重要动力[3]。比如，西北工业大学主要对金属材料的科技研发进行创新。清华大学对ABS材料工艺的研究，都可以被有效应用在3D打印材料的研发和创新中。（二）3D打印技术产业化进程显著，构建了相关的产业市场目前，针对高校和科学研究院的3D打印技术研究成果，发现我国已经涌现出越来越多的增材制造设备单位和企业。比如北京太尔时代科技有限公司就在发展中实现了对控制系统、打印材料的有效研发，拥有了自主产权。针对我国对3D打印技术发展数据的研究发现，截止2015年，我国3D打印市场规模已经超过50亿美元，在2018年一年中，这一数据更是实现了翻倍增长，超过了100亿美元。并且针对这一趋势发展，在未来几年中，我国的3D打印技术仍然会保持每年一倍的速度进行增长，也就是不出几年就可以实现几百亿美元的突破。（三）总体水平提升迅速，金属3D打印技术处于全球领先位置在近年来的发展中，3D打印技术逐渐受到了人们的关注和重视，因此这项技术也被越来越广泛的应用到了各行领域中。所以3D打印技术更是受到了国家和科研人员的重视，这也是当【作者简介】　覃捷音（1985—），女，本科，研究方向：工程图学。

3D打印材料和技术的研究

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3D常温打印包覆材料和技术的研究

一、关键技术内涵

包覆层是固体火箭发动机和固体推进剂装药的重要组成部分，其主要作用是限燃和隔热。包覆层的性能决定着火箭发动机的工作状态和使用寿命。近年来，随着战术导弹技术的发展，对固体火箭发动机装药的绝热包覆层提出了更高的要求：不仅需要满足粘结性能、力学性能、相容性能和存储性能等常规要求，而且还需要满足抗溶剂迁移、耐烧蚀和少烟等要求。对于小尺寸装药包覆层来说，由于阻燃剂和消烟剂的大量加入，导致粘度很大，在成型的过程中容易产生气泡、界面粘结性能差、成品率低等缺点，现有的包覆材料和包覆工艺已无法满足新产品的使用要求，因此必须对小尺寸装药包覆层展开新工艺研究。

二、需求分析与国内外情况

随着武器装备的快速发展，高能、低特征已成为固体推进剂发展的主要方向，特别是低特征需求使得推进剂的包覆层中加入更多的阻燃剂和消烟剂，这对固体推进剂的包覆层质量稳定性和批量化提出了更高的要求。现有国内包覆工艺基本为手工操作、效率低、难以保障装药质量，大大限制了螺压推进剂的发展。因此，我国亟待开展推进剂包覆新工艺研究，解决目前装药包覆层目前存在的问题。

三、研究目标、研究内容和技术指标

研究目标：

采用3D常温打印技术制备满足各种性能要求的小尺寸装药复合材料包覆层。

研究内容：

1. 3D常温打印所需的包覆层材料的研究

2. 3D常温打印工艺及装备的研究

3. 3D常温打印包覆层性能的研究

4. 3D打印包覆层装药验证试验研究。

技术指标：

拉伸强度≧4 MPa

断裂伸长率≧150 ％

氧乙炔烧蚀率≦0.3mm/s

线膨胀系数≧1×10-6

包覆层剥离强度10N/m

NG迁移量≤2%

四、拟采用的研究方法和途径

针对目前小尺寸药装包覆层存在的问题，本项目将研制一套3D常温打印设备及相应的打印材料和打印工艺，实现药装3D打印包覆，即在药装表面通过3D常温打印技术快速成型满足性能要求的包覆层，然后常温固化，获得粘结性能、相容性能、存储性能、抗溶剂迁移、耐烧蚀和少烟等性能满足要求的包覆层，提高产品合格率。