任务三
3D打印技术的应用领域

学习目标

1.了解3D打印技术的应用领域。

2.能够利用网络等资源收集关于3D打印技术的典型案例。

任务描述

随着工业社会的快速发展，3D打印技术以其高度的适配性覆盖了人们的吃、穿、住、行，成为满足工业制造乃至日常生活需求的一种重要途径。并且，随着这一技术本身的高速发展，其应用领域也在不断被扩展。通过老师讲解、查阅网络资料等途径了解3D打印技术应用于哪些领域，制作一个简短的PPT汇报课件向同学们介绍。

知识平台

不断提高3D打印技术的应用水平是推动3D打印技术发展的重要方面。目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用，并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。

一、机械制造领域

3D打印技术与传统机械制造技术相比，具有制造成本低、研制周期短、材料利用率高、生产效率高、产品质量精度高等明显优势，非常适合各种模具及零配件的研发及生产。目前，3D打印技术在机械制造领域已经得到广泛的研究和应用。

（一）模具制造

3D打印技术的应用，可以做到产品设计和模具生产并行。一般产品从设计到模具验收需要一段相当长的时间。按照传统的设计手段，只有在模具验收合格后才能进行整机的装配以及各种验收。对于在试验中发现的设计不合理之处，需要再对相应的模具进行修改。这样就会在设计与制造过程中造成大量重复性的工作，使模具的制造周期加长，最终导致修改时间占整个制作时间的20%~30%。应用3D打印技术之后，模具制造的这段时间被充分利用起来，制件的整机装配和各种试验可随时与模具制造环节进行信息交流，力争做到模具一次性通过验收，这样模具制造与整机试验评价并行工作，大大加快了产品的开发进度，迅速完成从设计到投产的转换，传统制造工艺与3D打印工艺的比较如图1-13所示。

另外，3D打印技术对于模具的设计与制造过程有着明显的指导作用。对于具体产品来说，模具制造时间可以大大缩短，模具制造的质量可以得到提高，相应的产品最终质量也可以得到保障。以3D打印生成的实体模作为模芯或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨技术可以快速制造企业所需要的功能模具或工装设备。其制造周期一般为传统数控切削方法的1/10~1/5，而成本仅为其1/5~1/3，且模具的几何复杂程度越高，这种效益越显著。例如，图1-14所示的工业常用六缸发动机缸盖模具采用传统砂型铸造工装模具设计制造周期长达5个月，3D打印技术只需一周便可制成。

（二）汽车制造

传统机械制造业在生产各种零部件之前，需先进行零件模具的开发，其开发周期一般在45天以上，而3D打印技术可以在不使用任何刀具、模具、工装夹具的情况下，快速实现零部件的生产。根据零件复杂程度，需1~7天。

尽管汽车的座椅、轮胎等的可更换部件仍以传统方式制造，但用3D打印技术制造这些零件的计划已经提上日程。目前，美国福特汽车公司已采用3D打印技术生产出混合动力车内的转子、阻尼器外壳和变速器等零部件，并正式投入使用。英国金斯顿大学的电动汽车赛车队甚至使用3D打印技术制造出赛车零部件（图1-15），大大降低了汽车总重量。经过测试发现，该技术制备的部件不仅可以承受高速运动环境和赛车的高温环境，在紧急情况下它们还能承受按钮的大力冲击。

我国也已经有汽车零部件企业通过3D打印技术制作缸体、缸盖、变速器齿轮等汽车零部件作为研发使用（图1-16）。但是由于受到打印材料的限制，3D打印技术在汽车零部件上的应用仅限于新产品或关键零部件样机成型原理、可行性方面的验证，要实现传统铸造技术的大批量、规模化生产还不太现实。在不久的将来，若能将3D打印技术的个性化、复杂化特点与传统制造业的规模化、批量化相结合，与信息技术、材料技术相结合，一定会实现3D打印技术的创新发展。

（三）家电行业

目前，3D打印技术在国内家电行业得到了很大程度的普及与应用，许多家电企业走在了国内前列，都先后采用3D打印技术来开发新产品，并收到了很好的效果。3D打印技术的应用很广泛，可以相信，随着3D打印制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

3D打印技术打印出的小型发动机零件如图1-17所示。3D打印技术在家电行业的应用如图1-18所示。

二、医学领域

近年来，3D打印技术在医学领域的应用研究越来越多。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

外科学是最早应用3D打印技术的医学领域，特别是骨外科、颌面外科、整形外科等的临床实践。利用3D打印技术可以加工出内、外部三维结构仿真性极高的生物模型。使用生物材料制作的人体器官修复体如图1-19所示，其线尺寸误差小于0.05mm，总体误差不超过0.1%，这样的精度完全可以满足外科手术的需要并且克服了生理解剖标本制作难度及道德伦理方面的困扰。面对现代手术模式改良迅速及原发病损原理复杂等挑战，借助3D打印技术加工出患者术区解剖结构模型，外科医生可以更直观地了解手术状况并结合模型具体讨论复杂特殊病例、制定更合理的手术方案。

通过3D打印技术，还可以在模型上试行手术，以预演术中可能会遇到的情况，比较不同手术方式的优劣，同时也可给年轻医生提供演示或操作训练的机会。对于正颌外科及整形外科手术则更可以通过对术前及术后形态的比较，预测评估患者的术后效果。借助3D打印模型也可使医生更容易对患者讲解手术的相关细节，加强医生和患者间的沟通，便于患者对手术形成直观的认识而更积极地配合手术。还可以收集管理一些特殊病例的模型作为重要标本资料供日后类似病例参考。正因为3D打印技术的以上优势使得该项技术几乎可用于外科各个分支。3D打印技术在骨外科的应用如图1-20所示。图1-20为3D打印技术在膝关节畸形模拟截骨中的应用，可大大提高手术精度与直观性。

3D打印技术在肿瘤科的应用如图1-21所示。图1-21采用3D打印技术精确设计半骨盆假体，帮助分析、治疗累及髋关节的骨肿瘤。

三、航空航天领域

近年来，3D打印技术已广泛应用于国内外的航空航天领域，尤其是在大尺寸零件一体化制造、异型复杂结构件制造、变批量定制结构件制造等方面具有明显优势。3D打印技术之所以成为航空航天应用热点，其优势主要体现在以下几方面：

（1）航空航天装备的关键零部件通常具有较复杂的外形和内部结构，而3D打印技术具有加工过程不受零件复杂程度约束的特点，能够完成传统制造工艺（如铸造、锻造等）难以胜任的加工任务。

（2）航空航天装备的零部件由于工作环境的特殊性通常对材料的性能和成分有严格甚至苛刻的要求，大量使用各种高性能、难以加工的材料，而3D打印技术可以方便地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难以加工的材料。

（3）3D打印加工过程的材料利用率很高，可以节省制造航空航天装备零部件所需的昂贵原材料，显著降低制造成本。

（4）3D打印加工过程速度快，成型后的制件仅需少量后续加工，可以显著缩短零部件的生产周期，满足对航空航天产品快速响应的要求。

（5）金属零件直接成型时的快速凝固特征可提高零件的机械性能和耐腐蚀性，与传统制造工艺相比，成型制件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。

（6）成型过程无需专用模具、工具和夹具，CAM赋予了3D打印良好的设计灵活性和加工柔性，可实现一体化设计与制造，达到减重的效果。

（7）3D打印技术能够实现单一零件中材料成分的实时连续变化，使零件的不同部位具有不同成分和性能，是制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等）的最佳技术。

鉴于以上特点，金属3D打印技术在航空航天领域成为了研究热点。目前，国外企业和研究机构利用3D打印技术不仅打印出了飞机、导弹、卫星的零部件，还打印出了发动机、无人机整机等，在生产成本、周期、质量等方面取得了显著效益。

总体而言，3D打印技术在航空航天领域主要有两大应用：①制作单件小批量最终产品，如GE公司生产的发动机燃油喷嘴；②打印模型或手板，用于设计验证、模拟装配或用作生产制造的原型。

在制作最终产品上，欧洲的空中客车公司（Airbus）采用3D打印技术生产了超过1000个飞机零件，并将其用于A350 XWB飞机上，取代传统工艺制造的零件，以缩短生产周期，降低生产成本，保证空中客车公司能够按期交付产品。2018年，美国GE公司采用3D打印技术生产完成了第30000个航空发动机燃油喷嘴，实现了3D打印技术终端产品的批量生产。法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）使用金属3D打印技术为韩国通信卫星Koreasat5A和Koreasat7制造出了天线支架，并成功通过了泰雷兹公司进行的动态测试。该支架的尺寸为 450mm×205mm×390mm，但重量仅为1.13kg，这两家公司称之为“巨大的轻量级部件”。中国航天科技集团公司一院211厂利用激光同步送粉3D打印技术成功实现了“长征五号”火箭钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制，这是激光同步送粉3D打印技术首次在大型主承力部段关键构件上的应用。

2008年珠海航展上展出的空军某型250kg级制导炸弹弹翼组件如图1-22所示。该弹是在现有的老式航弹弹体上加装弹翼组件后改装完成的。展出的弹体为常规航空炸弹，另外还有弹翼组件，采用了激光打印成型全尺寸制作完成。整个组件在10天内即全部完成，其中立体光固化成型制作时间7天，表面处理时间3天，为模型及时参与航展提供了有效保障。

美国通用公司的全尺寸航空发动机模型如图1-24所示，其所有零部件均由SLA技术实现。制作过程中甚至可在外壳上特别设计出可打开的剖面机构，以充分展示其内部结构，利于进行产品内部组件的展示和功能讲解。波音公司使用FDM技术为美国国防部高级研究计划局（defense advanced research projects agency，DARPA）/美国空军/美国海军联合无人战斗空中系统（J-UCAS）项目制造的无人飞机——Phantom Ray，该飞机翼展为50ft ，长为36ft。无人飞机——Phantom Ray如图1-25所示。

四、文化艺术领域

在文化艺术领域，3D打印技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。虽然3D打印技术在近几年才逐步成为公众关注的焦点，但是其用于文物的复制和修复却是很早就开始了。传统的文物复制只能靠翻模，对文物总会有污损，如今依靠3D打印技术，类似的问题便可迎刃而解了。采用3D打印技术复制的天龙山石窟佛像如图1-23所示，可以发现使用该技术得到的文物误差一般小于2μm，只有通过特殊的仪器才能被分辨出来。将复制得到的制品代替真实文物放于博物馆中展览，既可展示文物风采，又可防止人为拍照、触摸以及氧气环境、不适的空气湿度对文物的损坏。

此外，各种影视作品中虚拟的人设或复杂的道具若使用传统加工技术不仅耗时，而且从制品质量上也较难满足要求。因此越来越多的电影也开始使用 3D打印机制造道具。《钢铁侠2》中使用3D打印技术为男主角制造的贴身盔甲如图1-24（a）所示。运用3D打印技术制作的动漫《超能陆战队》道具如图1-24（b）所示。