3D打印技术,又称增材制造技术或3D快速成型技术,起源于20世纪80年代,是一种以数字模型文件为基础,采用离散材料液体、粉末、丝、片、板等),通过逐层累加的方式来制造任意复杂形状物体的技术。2012年,美国奥巴马总统将增材制造技术列为国家15个制造业创新中心,英国著名杂志《经济学人》发表专题报告(3D打印推动第三次工业革命》,推动3D打印发展的政治、经济力量正式形成,使得3D打印技术成为了一种热潮并迅速吸引了全世界的眼球。近两年来,3D打印技术作为一项前沿性的先进制造技术迅猛发展,并且正迅速改变着人们的生产生活方式,在工业制造、生物医学、建筑制造、文化艺术等领域逐步发挥了重要的作用。本文在3D打印的设备、技术、材料、应用等方向分别进行了介绍,并对技术和材料所存在的问题进行了分析,在此基础上对3D打印技术进行了能耗和环保评估,并提出了3D打印技术应该与新能源相结合的观点。
1 3D打印技术简介
3D打印技术是一种增材制造技术,相对于传统的材料去除如车、铣、磨等)技术,增材制造是一种“自下而上”材料累加的制造工艺。3D打印的工作原理类似于喷墨打印机,但是其所用的“墨”为塑料、树脂、金属等材料。具体成型过程为:先通过计算机建模软件建模,或者是对现有的物体进行扫描,再将建成的三维模型分区成逐层的截面,即切片,进而指导打印机利用打印材料进行逐层打印,层层叠加成三维立体零件。3D打印技术不需要模具、刀具等工具,免除了传统工艺需要多道加工程序的烦琐过程。
2 3D打印的设备
3D打印机是3D打印的核心设备,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,是集机械、控制和计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统。机械系统的核心灵感来源于笛卡尔机械坐标系,如图1所示,可以沿X、Y、Z轴3个方向运动。目前也出现了少量打印机是基于极坐标系,如图2所示。计算机软件是设计人员用于设计三维数字模型,并根据需要进行分层处理和加支撑,转化为可以用于打印的文件。控制软件是根据设计出的三维数字打印文件,自动控制机械系统层层打印,最后堆积成产品。
图1 基于笛卡尔坐标的3D打印机示意图
图2 基于楹坐标的3D打印机示意图
3D打印设备的制造商主要集中在美国、德国、英国、瑞典、日本等国家,其中美国的Stratasvs和3D Systems两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。目前国内从事3D打印设备的公司多为代理国外的3D打印机,自主研发的3D打印机公司并不多。主要从事工业级3D打印机设备制造的有湖南华曙高科技有限责任公司、陕西恒通智能机器有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司等。