如今所實(shí)踐的3D打印起源于20世紀(jì)70年代和80年代，研究了在光照下硬化的光聚合物材料，以及立體光刻（SLA）和熔融沉積成型（FDM）等添加工藝的發(fā)展。 SLA使用激光在液相光聚合物中蝕刻形狀，而FDM使用擠出技術(shù)在印刷床上沉積塑料層。最近，開(kāi)發(fā)了選擇性激光燒結(jié)（SLS），它使用與SLA類似的技術(shù)，但使用粉末代替光聚合物。

在小批量生產(chǎn)中，3D打印是一種相對(duì)快速且經(jīng)濟(jì)有效的生產(chǎn)方式零件符合高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，避免了與傳統(tǒng)模塑，壓鑄或沖壓工藝相關(guān)的高工具成本。作為增材制造工藝，3D打印還與加工等減成工藝形成對(duì)比。印刷產(chǎn)生的廢料明顯減少，并且可以生產(chǎn)使用傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀。

除了支持塑料印刷，主要3D打印工藝和電子束熔化和層壓物體制造等其他工藝的不斷發(fā)展，還可以使用鋁，不銹鋼或鈦等金屬。以及陶瓷材料。此外，現(xiàn)在可以在單個(gè)，有效，無(wú)縫的過(guò)程中使用不同的材料生產(chǎn)組件。這使得能夠生產(chǎn)具有內(nèi)置電氣跡線的部件，例如，可以設(shè)想在電子設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中將電子設(shè)備直接嵌入印刷部件的過(guò)程。

整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用

商用臺(tái)式3D打印機(jī)在快速原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作中很受歡迎。無(wú)論打印是外包給專業(yè)承包商還是內(nèi)部完成，開(kāi)發(fā)工程師都可以生成CAD模型，并從中獲取可以發(fā)送到打印機(jī)的文件，共享，復(fù)制和存儲(chǔ)以備將來(lái)使用，或以最小的投資損失丟棄，提供了極大的靈活性，允許更多類似生產(chǎn)的機(jī)械樣品和原型，并節(jié)省了工具成本。

隨著可加工的各種材料的擴(kuò)大，3D打印是作為制造用于最終產(chǎn)品的零件的手段變得越來(lái)越重要。雖然不可能取代傳統(tǒng)的模塑或鑄造技術(shù)來(lái)制造大批量的簡(jiǎn)單零件，但是可以快速且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)低體積復(fù)雜或高價(jià)值的零件。

3D打印還簡(jiǎn)化了終身產(chǎn)品支持和維護(hù)。原始設(shè)備制造商不再需要提前制造和庫(kù)存?zhèn)浼驗(yàn)樗麄兛梢院?jiǎn)單地使用存儲(chǔ)的文件按需生產(chǎn)零件。也許最極端的例子之一是國(guó)際空間站（ISS）上的3D打印機(jī)。使用這臺(tái)打印機(jī)，國(guó)際空間站上的團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)需要從少量原材料中更換零件，無(wú)需在船上攜帶大量零件，或者必須等待更換。 ISS打印機(jī)也被用于研究在零重力條件下制造工程產(chǎn)品。

市場(chǎng)機(jī)會(huì)

隨著基本臺(tái)式打印機(jī)的成本持續(xù)下降，以及工藝和材料技術(shù)的發(fā)展在“制造商”和專業(yè)工程社區(qū)中，3D打印的吸引力不斷增強(qiáng)。根據(jù)Allied Market Research預(yù)測(cè)，2015 - 2020年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到21％，3D打印將轉(zhuǎn)變?yōu)?6億美元的產(chǎn)業(yè)。消費(fèi)者和航空航天業(yè)將成為最大的采用者，其次是國(guó)防，教育，汽車(chē)和工業(yè)。在消費(fèi)領(lǐng)域，3D打印可用于從小型小雕像和玩具到外殼和更復(fù)雜零件的任何事物，利用增材制造的免工具性質(zhì)來(lái)降低成本并加速新產(chǎn)品的推出。

在航空航天領(lǐng)域，飛機(jī)和衛(wèi)星的零部件制造商和制造商不僅對(duì)以相對(duì)較低的產(chǎn)量節(jié)省成本的潛力感興趣，而且還有可能在減少重量的同時(shí)生產(chǎn)更強(qiáng)的零件。在商用客機(jī)中，節(jié)省重量可轉(zhuǎn)化為飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商的燃料節(jié)省。通過(guò)研究使用傳統(tǒng)方法制造的零件設(shè)計(jì)，可以創(chuàng)建新的，重量更輕的部件，從簡(jiǎn)單的機(jī)艙支架和手柄到更復(fù)雜的承載部件。對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行壓力分析表明，零件需要的位置比前一個(gè)更強(qiáng)或更強(qiáng)，并且還可以識(shí)別不需要多余材料的區(qū)域。

使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，通常必須使用加工工藝去除多余的材料，這會(huì)造成浪費(fèi)。空客先前曾評(píng)論說(shuō)，使用3D打印可以將部分零件的重量減輕多達(dá)55％，同時(shí)將原材料使用量減少90％。該公司最近發(fā)布了一個(gè)新的原型空氣噴嘴圖像，用于新的機(jī)艙氣候控制系統(tǒng)，允許更大的頂置儲(chǔ)物柜（圖1）。 3D打印使項(xiàng)目能夠比使用傳統(tǒng)技術(shù)更快，更經(jīng)濟(jì)地完成。

圖1：空客應(yīng)用創(chuàng)新的3D打印技術(shù)為A330neo創(chuàng)造了原型空氣噴嘴。 （照片來(lái)源：空中客車(chē)公司）

除了ISS 3D打印項(xiàng)目外，NASA還完成了幾個(gè)地球上的增材制造項(xiàng)目，包括使用超過(guò)8000層銅合金粉末選擇性激光熔化生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴（圖2）。這是一個(gè)旨在制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件的計(jì)劃的一部分，其速度比其他技術(shù)快十倍，而且價(jià)格不到一半。

圖2 ：美國(guó)宇航局的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴在上緣有復(fù)雜的通道，用于循環(huán)液態(tài)氫冷卻劑。

3D打印和工業(yè)自動(dòng)化

隨著OEM繼續(xù)應(yīng)對(duì)諸如縮短產(chǎn)品生命周期，加快產(chǎn)品上市時(shí)間，降低單位成本，更多產(chǎn)品型號(hào)和定制選項(xiàng)等挑戰(zhàn)，3D打印可能會(huì)提供高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案在未來(lái)的工廠中，3D打印可以內(nèi)聯(lián)移動(dòng)，隨時(shí)可以實(shí)時(shí)生成單個(gè)零件。這可以帶來(lái)一些好處，例如獨(dú)立于外部供應(yīng)商，從而更好地控制交付，減少延遲的可能性。設(shè)計(jì)也可以快速更改，無(wú)需經(jīng)濟(jì)處罰或浪費(fèi)任何庫(kù)存或工具投資。使用3D打印機(jī)，只需更改打印文件即可輕松實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)設(shè)計(jì)的微小變化。

可擴(kuò)展性是將3D打印納入其生產(chǎn)流程的公司的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。如果需要擴(kuò)大生產(chǎn)能力，可以購(gòu)買(mǎi)額外的3D打印機(jī)。將3D打印作業(yè)外包給第三方生產(chǎn)商是另一種選擇，可以通過(guò)電子共享相應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)或即用型打印機(jī)文件輕松完成。

開(kāi)始

為了利用這些機(jī)會(huì)，公司需要專業(yè)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)適合3D打印的組件，以便最佳地利用可用的流程。工程師熟悉3D打印并開(kāi)始制作可用組件的一種方法是投資購(gòu)買(mǎi)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的桌面3D打印機(jī)，例如DFRobot Dream Maker Overlord Classic BL。

從零件的3D CAD模型開(kāi)始工作要以.stl或.obj等標(biāo)準(zhǔn)文件格式打印，3D模型將有效地簡(jiǎn)化為Overlord Classic BL的圖層，以便一次構(gòu)建一個(gè)。打印機(jī)配有名為Cura的開(kāi)源切片軟件，以及加載在SD卡上的一些打印示例。

圖3：打印的最佳方向最小化懸垂材料。

Cura軟件生成一個(gè).gcode文件，其中包含用于打印零件的逐層坐標(biāo)。用戶必須為組件設(shè)置正確的尺寸，并且需要一些工程判斷來(lái)確定生產(chǎn)零件的最佳方向（圖3）。然后Cura指導(dǎo)用戶選擇生產(chǎn)零件的首選設(shè)置（圖4）。這些選擇包括打印質(zhì)量，使用的材料和填充密度。

圖4：Cura引導(dǎo)用戶完成控制打印過(guò)程的基本和高級(jí)設(shè)置。

某些部件可能需要提供支撐以防止當(dāng)塑料硬化時(shí)，懸垂結(jié)構(gòu)不會(huì)扭曲。由于支持增加了生成零件的成本和時(shí)間，因此3D打印的最佳組件設(shè)計(jì)和明智的構(gòu)建方向選擇有助于最大限度地減少其使用。

結(jié)論

3D打印具有近年來(lái)迅速發(fā)展，提供了一種快速且經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)原型零件的便捷靈活的方法。與減法制造技術(shù)相比，可以大大減少?gòu)U料。 3D打印可以產(chǎn)生使用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)困難或昂貴的形狀，并且可以生產(chǎn)能夠承受高應(yīng)力的輕質(zhì)部件。

將來(lái)，3D打印機(jī)可用于高速在線制造，提供及時(shí)生產(chǎn)零件以滿足需求的有效方法，或在小批量生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈管理。通過(guò)分發(fā)適當(dāng)?shù)腃AD或.gcode文件，還可以輕松地將生產(chǎn)縮放或轉(zhuǎn)移到另一條生產(chǎn)線。最新的桌面打印機(jī)使工程師能夠以最少的投資獲得這種快速增長(zhǎng)的技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。