如今所實踐的3D打印起源于20世紀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使用擠出技術在印刷床上沉積塑料層。最近，開發(fā)了選擇性激光燒結（SLS），它使用與SLA類似的技術，但使用粉末代替光聚合物。

在小批量生產中，3D打印是一種相對快速且經濟有效的生產方式零件符合高質量標準，避免了與傳統(tǒng)模塑，壓鑄或沖壓工藝相關的高工具成本。作為增材制造工藝，3D打印還與加工等減成工藝形成對比。印刷產生的廢料明顯減少，并且可以生產使用傳統(tǒng)技術難以實現(xiàn)的復雜形狀。

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，有效，無縫的過程中使用不同的材料生產組件。這使得能夠生產具有內置電氣跡線的部件，例如，可以設想在電子設備生產過程中將電子設備直接嵌入印刷部件的過程。

整個產品生命周期中的應用

商用臺式3D打印機在快速原型設計和開發(fā)工作中很受歡迎。無論打印是外包給專業(yè)承包商還是內部完成，開發(fā)工程師都可以生成CAD模型，并從中獲取可以發(fā)送到打印機的文件，共享，復制和存儲以備將來使用，或以最小的投資損失丟棄，提供了極大的靈活性，允許更多類似生產的機械樣品和原型，并節(jié)省了工具成本。

隨著可加工的各種材料的擴大，3D打印是作為制造用于最終產品的零件的手段變得越來越重要。雖然不可能取代傳統(tǒng)的模塑或鑄造技術來制造大批量的簡單零件，但是可以快速且經濟地生產低體積復雜或高價值的零件。

3D打印還簡化了終身產品支持和維護。原始設備制造商不再需要提前制造和庫存?zhèn)浼驗樗麄兛梢院唵蔚厥褂么鎯Φ奈募葱枭a零件。也許最極端的例子之一是國際空間站（ISS）上的3D打印機。使用這臺打印機，國際空間站上的團隊可以根據(jù)需要從少量原材料中更換零件，無需在船上攜帶大量零件，或者必須等待更換。 ISS打印機也被用于研究在零重力條件下制造工程產品。

市場機會

隨著基本臺式打印機的成本持續(xù)下降，以及工藝和材料技術的發(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。根據(jù)Allied Market Research預測，2015 - 2020年的復合年增長率（CAGR）將達到21％，3D打印將轉變?yōu)?6億美元的產業(yè)。消費者和航空航天業(yè)將成為最大的采用者，其次是國防，教育，汽車和工業(yè)。在消費領域，3D打印可用于從小型小雕像和玩具到外殼和更復雜零件的任何事物，利用增材制造的免工具性質來降低成本并加速新產品的推出。

在航空航天領域，飛機和衛(wèi)星的零部件制造商和制造商不僅對以相對較低的產量節(jié)省成本的潛力感興趣，而且還有可能在減少重量的同時生產更強的零件。在商用客機中，節(jié)省重量可轉化為飛機運營商的燃料節(jié)省。通過研究使用傳統(tǒng)方法制造的零件設計，可以創(chuàng)建新的，重量更輕的部件，從簡單的機艙支架和手柄到更復雜的承載部件。對現(xiàn)有設計進行壓力分析表明，零件需要的位置比前一個更強或更強，并且還可以識別不需要多余材料的區(qū)域。

使用傳統(tǒng)的生產方法，通常必須使用加工工藝去除多余的材料，這會造成浪費?？湛拖惹霸u論說，使用3D打印可以將部分零件的重量減輕多達55％，同時將原材料使用量減少90％。該公司最近發(fā)布了一個新的原型空氣噴嘴圖像，用于新的機艙氣候控制系統(tǒng)，允許更大的頂置儲物柜（圖1）。 3D打印使項目能夠比使用傳統(tǒng)技術更快，更經濟地完成。

圖1：空客應用創(chuàng)新的3D打印技術為A330neo創(chuàng)造了原型空氣噴嘴。 （照片來源：空中客車公司）

除了ISS 3D打印項目外，NASA還完成了幾個地球上的增材制造項目，包括使用超過8000層銅合金粉末選擇性激光熔化生產火箭發(fā)動機噴嘴（圖2）。這是一個旨在制造發(fā)動機部件的計劃的一部分，其速度比其他技術快十倍，而且價格不到一半。

圖2 ：美國宇航局的3D打印火箭發(fā)動機噴嘴在上緣有復雜的通道，用于循環(huán)液態(tài)氫冷卻劑。

3D打印和工業(yè)自動化

隨著OEM繼續(xù)應對諸如縮短產品生命周期，加快產品上市時間，降低單位成本，更多產品型號和定制選項等挑戰(zhàn)，3D打印可能會提供高效且經濟實惠的解決方案在未來的工廠中，3D打印可以內聯(lián)移動，隨時可以實時生成單個零件。這可以帶來一些好處，例如獨立于外部供應商，從而更好地控制交付，減少延遲的可能性。設計也可以快速更改，無需經濟處罰或浪費任何庫存或工具投資。使用3D打印機，只需更改打印文件即可輕松實現(xiàn)常見設計的微小變化。

可擴展性是將3D打印納入其生產流程的公司的另一個優(yōu)勢。如果需要擴大生產能力，可以購買額外的3D打印機。將3D打印作業(yè)外包給第三方生產商是另一種選擇，可以通過電子共享相應的CAD數(shù)據(jù)或即用型打印機文件輕松完成。

開始

為了利用這些機會，公司需要專業(yè)知識來設計適合3D打印的組件，以便最佳地利用可用的流程。工程師熟悉3D打印并開始制作可用組件的一種方法是投資購買經濟實惠的桌面3D打印機，例如DFRobot Dream Maker Overlord Classic BL。

從零件的3D CAD模型開始工作要以.stl或.obj等標準文件格式打印，3D模型將有效地簡化為Overlord Classic BL的圖層，以便一次構建一個。打印機配有名為Cura的開源切片軟件，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.gcode文件，其中包含用于打印零件的逐層坐標。用戶必須為組件設置正確的尺寸，并且需要一些工程判斷來確定生產零件的最佳方向（圖3）。然后Cura指導用戶選擇生產零件的首選設置（圖4）。這些選擇包括打印質量，使用的材料和填充密度。

圖4：Cura引導用戶完成控制打印過程的基本和高級設置。

某些部件可能需要提供支撐以防止當塑料硬化時，懸垂結構不會扭曲。由于支持增加了生成零件的成本和時間，因此3D打印的最佳組件設計和明智的構建方向選擇有助于最大限度地減少其使用。

結論

3D打印具有近年來迅速發(fā)展，提供了一種快速且經濟有效地生產原型零件的便捷靈活的方法。與減法制造技術相比，可以大大減少廢料。 3D打印可以產生使用傳統(tǒng)方法生產困難或昂貴的形狀，并且可以生產能夠承受高應力的輕質部件。

將來，3D打印機可用于高速在線制造，提供及時生產零件以滿足需求的有效方法，或在小批量生產產品時簡化供應鏈管理。通過分發(fā)適當?shù)腃AD或.gcode文件，還可以輕松地將生產縮放或轉移到另一條生產線。最新的桌面打印機使工程師能夠以最少的投資獲得這種快速增長的技術的經驗。