任务四
3D打印技术的发展趋势

学习目标

1.了解3D打印技术所面临的问题。

2.了解3D打印技术的发展趋势。

任务描述

3D打印技术的优势显而易见，其在各个领域的发展势头也不可阻挡。但3D打印技术仍存在技术上的局限性，其应用领域的拓展也远未到达尽头。它将来会向什么方向发展呢？请同学们结合所学的知识，查阅相关的资料，展望3D打印技术的发展趋势。

知识平台

3D打印技术是当今世界上发展最快的制造技术，已由最初的发展期步入成熟期。近年来虽然3D打印新工艺、新装备的发展速度有所减缓，但其仍是最活跃的领域之一。部分国产3D打印设备已接近或达到国际同类产品的水平，价格却便宜很多，材料的价格也更加合理，这充分说明我国已初步形成了3D打印设备和材料的制造体系。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供3D打印技术的服务机构。目前，这些技术服务机构已经开始发挥其积极作用，极大地推动了3D打印技术在我国的广泛应用，使我国高新技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济的发展做出了贡献。

一、3D打印技术面临的问题

目前3D打印技术还面临着许多问题，而这些问题大多来自技术本身的发展水平，其中最突出的表现在工艺问题、材料问题、精度问题、软件问题、能源问题、应用领域问题几个方面。

（一）工艺问题

3D打印的基础是分层叠加原理。用什么材料进行分层叠加以及如何进行分层叠加具有极大研究空间。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率非常有必要。

（二）材料问题

材料问题一直是3D打印技术的核心问题，相对国外来说，我国所提供的材料还是比较单一，与国外提供的材料品种及其性能相比，还有一定的差距。发展全新的3D打印材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。

（三）精度问题

目前，3D打印技术制备的零件精度一般处于±0.1mm的水平。3D打印技术的基本原理决定了该工艺难于达到传统机械加工所具有的表面质量和精度指标。但是把3D打印的基本成形思想与传统机械加工方法结合，优势互补，可以改善打印精度。

（四）软件问题

目前，3D打印技术使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失；由于平面分层所造成的台阶效应降低了零件表面质量和成形精度。目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用逆向工程得到的逐层切片数据直接驱动打印系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。

（五）能源问题

当前3D打印技术所涉及的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。

（六）应用领域问题

目前3D打印技术的应用领域主要在新产品开发方面，旨在缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。

由于3D打印技术的巨大吸引力，不仅工业界对其十分重视，许多其他行业也纷纷致力于它的应用和推广。在其技术向更高精度与更优材质性能方面取得进展后，可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。目前3D打印技术在各领域的应用情况如图1-25所示。

二、3D打印技术的发展方向

（一）金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术

目前的3D打印技术主要用于制作非金属样件，由于其强度等机械性能较差，远远不能满足工程实际需求，因此其工程化实际应用受到较大限制。探索实现金属零件直接快速制造的方法一直是3D打印技术的研究热点，国外著名的3D打印技术公司均在进行金属零件的3D打印技术研究。可见，探索直接制造满足工程使用条件金属零件的3D打印技术，将有助于3D打印技术向快速制造技术的转变，能极大地拓展其应用领域。此外，利用逐层制造的优点，探索制造具有功能梯度、特殊复杂结构以及综合性能优良的零件，也是一个新的发展方向。

（二）概念创新与工艺改进

目前，3D打印技术的成型精度为0.01mm，表面光滑度还较差，有待进一步提高。最主要的问题是成型制件的强度和韧性还不能完全满足工程的实际需要，因此完善现有3D打印工艺与设备，提高零件的成型精度、强度和韧性，降低设备运行成本十分迫切。此外，3D打印技术与传统制造技术相结合，形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势，如3D打印技术结合精密铸造，可快速制造高质量的金属零件。另外，许多新的3D打印工艺也正处于开发研究之中。

（三）优化数据处理技术

3D打印数据处理技术主要包括将三维CAD模型转存为STL格式文件和利用专用3D打印软件进行平面切片分层等。STL格式文件的固有缺陷会造成零件精度降低；此外平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成型精度。优化数据处理技术可提高成型精度和表面质量。目前正在开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法。

（四）开发专用3D打印设备

不同行业、不同应用场合对3D打印设备有一定的共性要求，也有较大的个性要求。如受医院环境和工作条件的限制，外科大夫希望设备体积小、噪声小，因此开发专门针对医院使用的便携式3D打印设备将非常有市场潜力。汽车行业的大型覆盖件尺寸多在1m以上，因此研制大型的3D打印设备也很有必要。

（五）成型材料系列化、标准化

目前3D打印材料大部分由各设备制造商单独提供，不同厂家的材料通用性很差，而且材料成型性能也不十分理想，阻碍了3D打印技术的发展。因此，开发性能优良的专用3D打印材料，并使其系列化、标准化，将极大地促进3D打印技术的发展。

（六）拓展新的应用领域

3D打印技术的应用范围正在逐渐扩大，这也促进了3D打印技术的发展。目前3D打印技术在医学、医疗领域的应用，正在引起人们的极大关注，许多科研人员也正在进行相关的技术研究。此外，3D打印技术结合逆向（反求）工程，实现古陶瓷、古文物的复制，也是一个新的应用领域。 qCHwC0/8FadWX5cZr/GxsR83YtVp+8/n0tMrDvQrcxo9ohYONh0qbnSgMY0sNj2A