FDM 3D打印机原理-FDM打印技术应用_介绍-常见的3D打印技术优缺点分析

医疗器械行业在世界各地持续增长。随着行业的发展，医疗器械原型和生产零件的3D打印也在不断发展。医学3D打印不再是科幻小说中的东西。增材制造（AM）现在被用于从外科植入物到假肢，甚至器官和骨骼的所有方面。

用于医疗用途的 3D 打印的优势

为什么3D打印非常适合医疗市场？三个主要因素是速度、定制和成本效益。

3D打印使工程师能够更快地创新。工程师能够在1-2天内将想法转化为物理原型。更快的产品开发时间使公司能够分配更多的时间来接收外科医生和患者的反馈。反过来，更多更好的反馈会导致设计在市场上表现更好。

3D打印实现了前所未有的定制水平。每个人的身体都是不同的，3D打印允许工程师根据这些差异定制产品。这增加了患者的舒适度、手术的准确性，并改善了结果。定制还允许工程师在广泛的应用中发挥创造力。随着3D打印技术在数千种灵活、色彩丰富、坚固的材料中的应用，工程师们可以将他们最具创造性的愿景付诸实践。

最重要的是，3D打印通常能以低于传统制造的成本实现定制医疗应用。

用于医疗的3D打印技术

金属和塑料 3D 打印技术都适用于医疗应用。最常见的技术包括熔融沉积建模(FDM)、直接金属激光烧结(DMLS)、碳直接光合成(DLS) 和选择性激光烧结(SLS)。

FDM对于早期设备原型和手术模型来说是一个很好的过程。可灭菌FDM材料包括PPSF、Ultem和ABS M30i。通过DMLS的金属3D打印可以用17-4PH不锈钢完成，这是一种可消毒材料。碳纤维是一种新工艺，它使用定制树脂用于各种最终用途的医疗设备应用。最后，SLS可以生产坚固、灵活的零件，是创建骨骼复制品时使用的最佳工艺。

在医疗行业使用3D打印

3D打印正在改变医疗行业的几乎所有方面。3D打印使培训更加容易，改善了患者体验和可及性，并简化了植入物采购和植入过程。

植入物：3D打印不仅仅是我们物质世界的一部分，它现在也是许多人身体的一部分。尖端技术现在可以3D打印有机物，例如用于组织、器官和骨骼的细胞。例如，骨科植入物用于骨骼和肌肉修复。这有助于提高植入物的可用性。3D打印还擅长制作可放置在外科植入物外部的精细晶格，这有助于降低植入物排斥率。

手术工具：在牙科领域尤其有效，3D打印工具符合患者独特的解剖结构，有助于外科医生提高手术准确性。整形外科医生也经常使用通过3D打印制造的导轨和工具。导向器在膝关节置换手术、面部手术和髋关节置换术中特别有用。这些程序的导向器通常由可消毒塑料PC-ISO制成。

外科规划和医学训练模式：未来的医生现在经常在3D打印器官上练习，3D打印器官比动物器官更能模拟人体器官。现在的医生可以打印出病人器官的精确复制品，从而更容易为复杂的手术做准备。

医疗设备和工具：传统上使用减法技术制造，现在使用3D打印的许多外科工具和设备可以定制打印以解决特定问题。3D打印还可以以更无菌的形式和更低的成本生产传统制造的工具，如夹子、手术刀和镊子。3D打印还可以更轻松地快速更换这些破损或老化的工具。

假肢：3D 打印在制作时尚、易于使用的假肢方面发挥着关键作用。3D打印使为有需要的社区开发低成本假肢变得更加容易。假肢现在正在为叙利亚等战区和海地的农村地区进行3D 打印，由于成本和可及性的限制，许多人以前没有这种设备。

药物剂量工具：现在可以3D打印包含多种药物的药丸，每种药物的释放时间不同。这些药片使剂量依从性更容易，并降低因患者错误而导致服药过量的风险。它们还帮助解决与各种药物相互作用有关的问题。

医疗器械公司的定制制造

由于高端 SLS、DMLS 和 Carbon 3D 打印机的成本可能高达 500,000 美元或更多，因此许多医疗公司将生产外包制造3D打印服务公司。3D打印技术帮助世界上最大和发展最快的公司更快地从创意到原型再到生产，从而增加他们在市场上取得成功的几率。

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应用不同的行业，3D打印成型工艺有多种，应用的材料种类也较多，但塑料仍是3D打印行业中适用最多的材料。

6大优势，让塑料3D打印成为广泛使用的一种成型技术。

能够3D打印多种尺寸的零件

我们知道市面上大多数的3D打印机层高精度都特别高，数据显示可以达到0.01-0.3mm，这样的精度已经特别高了，因此可以制作较小的零件。如果您需要制作较大的零件来进行测试项目，塑料将是最佳的解决方案。

塑料产品的大型3D打印机主要基于熔融挤出技术，工艺可靠，易于使用和维护。大尺寸3D打印现在正成为许多公司感兴趣的项目之一，它可以获取准确和定制化的零件，易于加工。对于设计领域来说，尺寸经常限制了设计产品的快速制造，有了大型零件快速3D打印的可行性，这使得设计的想法可以迅速转化为现实，并且应用到各种产品中。后期处理简单易操作可以使得最终的模型更接近产品。相比传统方式制造模型的技术，包括木材、泡沫、玻璃纤维的使用不仅耗时，而且还昂贵。大型3D打印技术不仅节省成本，还可以实现自由曲面的独特几何形状，并且可以加速设计迭代的过程。因此，塑料3D打印的尺寸可以很小，也可以很大。

塑料3D打印成本低

价格显然是塑料3D打印零件的最大优势之一。使用3D打印进行大批量生产可能会非常昂贵，由于塑料是最常见且最便宜的材料，因此可以更轻松地打印多个塑料3D打印零件然后进行组装。使用ABS或者PLA材料，您已经可以打印出价格合理的零件，如果您注重材料强度及功能性测试，也可以使用工程塑料来解决。3D打印材料种类较多，给企业更多的多样性打印需求，降低成本。

相比传统注塑加工更加高效

塑料是3D打印行业中最早使用的材料之一，它提供了生产一种或多种定制设计产品的有效方法。为了制造最终零部件，可以通过3D打印来获取模具，并用作复合结构的最终工具。塑料3D打印材料是原型制作过程的最好选择，这是进行一些快速原型制作的理想方法，因为您可以使用3D建模软件以较低的价格轻松地进行多次产品迭代。甚至无需前期制作模具，只需要将3D打印模型文件上传到3D打印机内，然后点击打印即可，使用3D打印技术制造塑料零件非常简单。

塑料3D打印材料适用领域广泛

塑料3D打印可以在医疗行业中用于创建器官的3D打印模型。它可用于汽车行业中的汽车内饰零件的更换，打印建筑模型，甚至用于航空航天工业。此外，从概念证明，原型设计到生产，塑料3D打印材料对于产品开发过程的每个步骤都非常有用！您可以打印任何塑料组件，塑料包装或塑料产品，可以使用塑料自由3D打印任何种类的复杂设计。

塑料3D打印材料轻便可靠

塑料可以说是一种非常轻质的材料，并且塑料材料向高强度发展，通过改性塑料的强度被用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，甚至可以普代玻璃、陶瓷等制品，从而使塑料材料在3D制造中被广泛应用。

ASA作为一种用于制造工具和最终成品的通用材料，在抗紫外线稳定性、强度和耐久性方面都表现出色。塑料材料可避开低强度的缺陷，向复合化功能化发展，特别是实现多元材料复合，通过3D打印技术赋予塑料特定功能。

可提供更多的表面处理方式

在使用塑料材料进行3D打印模型制作时，我们经常能看到表面有细微的层纹，对于一些特殊行业需求的用户来说，就要进行必要的3D打印后处理工作。我们可以很容易的在塑料表面进行打磨、上色、抛光，从而使得塑料3D打印模型变得表面光滑，具有一定美感，这是至关重要的。

2021年，中国航天事业发展如火如荼，空间站建设和探测器登陆火星均取得巨大成功，50多次发射夺得全球数量第一并刷新了本国年度纪录，在商业航天领域表现同样抢眼。本文对本年度航空航天领域的3D打印技术应用进行总结。

1. 零壹空间OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控动力系统产品飞行，试验取得圆满成功

2021年2月5日，零壹空间科技集团有限公司自主研发的OS-X6B新型智能亚轨道火箭暨“重庆两江之星”在西北某发射场成功发射，试验载荷成功分离，全程飞行正常。该枚火箭为零壹空间OS-X系列商业火箭，是为航空航天技术验证量身打造的专用飞行试验平台，OS-X6B火箭首次采用3D打印姿控动力系统产品飞行。

零壹空间自研姿控动力系统取消传统管路连接各功能部件，创新性应用钛合金3D打印技术，以异型气瓶为基础，对系统进行一体化设计，且提前预制了内部流通孔道，减少管路组件，实现了与传统管路连接方案相同功能前提下，全系统减重34.38%，质量不超过10kg，系统结构可靠性大幅提高，在3000g冲击环境条件下适应性良好。

2. 空天引擎“炎驭一号甲”火箭发动机核心部件均采用3D打印工艺路线

2021年4月23日，空天引擎自主研发的“炎驭一号甲”液氧煤油发动机圆满完成协调性热试车，中国航天报进行了报道。“炎驭一号”系列发动机核心部件推力室、燃气发生器等均采用3D打印工艺路线，设计灵活性大幅提高，制造效率显著提升，大幅度降低了小型泵压式火箭发动机的研制周期和成本。

相对美国Rocket Lab公司“电子号”火箭的“卢瑟福”发动机，“炎驭一号”系列发动机节省了大量的电池和电机等组件，降低了火箭和发动机的死重，并且发动机比冲显著高于“卢瑟福”发动机，能有效提高火箭的载荷能力。目前国内无成熟的2T级推力火箭发动机，该型号首次实现基于燃气发生器热力循环的2T级液氧煤油发动机全系统验证，填补了国内该型号空白，可对中国航天液体动力提供有益补充，将为中国商业航天领域增添新的动力型谱，更能促进火箭发射的成本降低和技术发展，为未来商业航天、各类飞行器增加了更多的选择空间。

3. 中国空间站相关研制工作广泛采用金属3D打印技术

北京时间2021年4月29日，中国空间站核心舱“天和号”成功发射，并最终进入预定轨道，按照计划，空间站梦天舱将于明年发射。梦天舱的重要结构件导轨支架采用了3D打印的薄壁蒙皮点阵结构，铂力特参与了该部件初样的试制工作。所设计的点阵单元为BCC形式，整个导轨支架共11块，每个结构块由BLT-S510一体成形，即同时打印出内部的点阵结构和外侧的蒙皮结构，单件最大尺寸为400mm×500mm×400mm，单件打印时间约150小时，打印完成后组装拼接最大部分尺寸可达2000mm。

蒙皮点阵结构已经成熟用于航天器结构产品。航天五院设计的一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构，比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%，实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率，在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。

4. “天问一号”携“祝融火星车”成功落火，3D打印发挥重要作用

北京时间2021年5月15日8时20分左右，中国首枚火星探测器“天问”一号成功着陆火星北半球的乌托邦平原。根据中国航天科技集团的消息，航天五院529厂针对“嫦娥”系列、火星探测器等新一代轻量化航天器发展需求，积极开展3D打印技术的研究与应用，取得了较好的效果。该厂研究人员介绍道，相比于传统铸件或者锻造产品，3D打印的产品研制周期明显缩短，力学性能得到提升。

在天问一号探测器上，航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的推进分系统，共计48台大大小小的发动机。其中，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机在制造过程中因3D打印技术的使用取得了重要效益：重量和体积只有以前发动机的三分之一，结构也更加优化、紧凑。发动机的对接法兰框还首次采用3D打印技术，一次打印成型避免大余量去除原实心棒材或锻件引起的变形，也保证了发动机与总体对接的质量稳定性。

5. 长征二号F火箭发射神舟十二载人飞船，3D打印使火箭发动机更加可靠

6月17日，长征二号F遥十二运载火箭托举着载有聂海胜、刘伯明、汤洪波三名航天员的神舟十二号载人飞船驶向太空，入住我国空间站。作为生产制造该火箭所用芯一级发动机、二级发动机、助推器发动机的航天科技集团六院7103厂，采用了3D打印技术制造所需零件，实现了发动机更可靠，效率速度也得到了双提升。

发动机推力室隔板加强肋的工艺改进，是在本次火箭配套发动机16项工艺状态变化中最典型的代表之一。3D打印技术的应用实现了加强肋产品加工方法的“双创新”：一方面实现了工艺制造技术创新，突破了传统工艺制造难题，解决了因结构限制导致产品合格率低的问题；另一方面实现了高效、快捷、绿色的制造模式创新，突破传统制造模式低生产效率瓶颈，解决了多种废液、粉尘气味等环保问题，可直接制备出形状复杂、性能稳定的产品。相比于传统铸件，产品尺寸精度及稳定性更高，产品多项性能指标接近甚至超过传统铸件历史最高值。7103厂增材制造创新中心主任杨欢庆指出，“通过3D打印技术替代熔模精密铸造工艺，加强肋制造周期缩短了75%，合格率由不足20%提升至98%，成本降低了30%。”

6. 星际荣耀双曲线二号、三号火箭均采用3D打印技术

据星际荣耀6月消息，该公司双曲线三号液体运载火箭正式从总体方案论证阶段转入型号研制阶段。该火箭是目前已知国内规划的直径最大、运载能力最强、每公斤载荷发射价格最低的可重复使用液体运载火箭，将是参与商业发射市场发射任务的主力型号。双曲线三号采用了大量先进技术，其中结构轻质化设计技术通过采用3D打印、复合材料、非火工分离、结构一体化设计、载荷精细化设计等措施，提高火箭结构效率，提升一子级回收条件下的运载能力。

7月，星际荣耀发布消息称，该公司进行了双曲线二号可重复使用运载火箭栅格舵子系统地面验证试验，试验过程覆盖火箭飞行任务全流程，取得圆满成功。栅格舵是一种火箭飞行姿态控制装置，在垂直回收运载火箭上设计实现能够完全重复使用的栅格舵系统具有很大的技术挑战。研制团队基于任务需求大胆创新，先后完成了多方案对比优化、气动力热仿真、结构机构电气一体化设计、复杂环境适应性分析、整体3D打印等设计与制造难关。

7. 最大尺寸达0.6m×0.6m×0.6m，3D打印深入影响我国民营火箭深蓝航天的制造流程

2021年7月，深蓝航天“星云-M”1号试验火箭在陕西铜川深蓝航天试验基地完成了首次垂直起飞和垂直降落的自由飞行试验（又称“蚱蜢跳”），首飞试验任务圆满成功。“星云-M”1号试验箭配套了由深蓝航天自主研制的“雷霆-5”型液体火箭发动机（LT-5），是国内首型使用3D打印技术制造的针栓式电动泵液氧煤油发动机。

LT-5发动机大量选用3D打印技术，利用先进的打印设备最大限度发挥镍基高温合金粉末材料的高强度、延展性、抗断裂性和低可变性等优质特性，成功突破传统火箭发动机制造模式的低生产效率、复杂工艺路线、周期长的瓶颈。目前正在研制中的新型发动机同样选择了经过验证的3D打印技术和后处理工艺，新交付的发动机结构部件最大尺寸达到0.6m×0.6m×0.6m。通过一系列的研制测试，自主掌握了3D打印粉末选型、增材制造形性控制、增材流道结构表面高质量磨料流光整等多项关键技术，具备了产品多行面、多腔道、再生冷却通道等复杂精密构件的增材制造研制能力。

8. 中国航天科工二院采用3D打印技术在飞行器研制中取得重要里程碑

8月27日，中国航天科工二院二部发布消息称实现了某型飞行器产品复杂结构的3D打印集成制造，并指出这是3D打印技术在航天领域飞行器研制中的重要里程碑，进一步提升了飞行器轻量化水平，为未来新一代飞行器发展提供了有力支撑。

二院二部是我国组建最早的从事尖端科学技术与研制的单位，是我国最为重要的导弹武器系统研制、生产单位和空天防御事业发展的领军单位。二部专家介绍，航天飞行器产品结构零部件多，生产周期长、成本高。飞行器结构产品“无模具”制造，生产效率提高了一倍，在确保性能不下降的基础上，成本降低近一半，解决了传统生产模式中加工时间长、质量管控难度大、成本高等难题，通过3D打印一体化成型技术，数字化制造能力大幅提升。

9. 星众空间 “灵巧号”太空实验卫星采用3D打印制造

12月17日，由铂力特打印、星众空间出品的“灵巧号”太空实验卫星搭载由陕西第一家商业火箭公司陕西华羿鸿达科技发射的“华羿一号”亚轨道火箭在西北某试验场成功实施首次飞行。

3D打印技术参考获悉，金属3D打印的“灵巧号”卫星，是星众空间专为生物、医药、材料、能源等太空实验设计的卫星平台。铂力特本次负责了“灵巧号”卫星主框架结构的打印，包括4件面板和4件横梁。为了满足主框架结构轻质、高刚度的技术要求和项目紧急的节点要求，铂力特采用AlMgSc高强度铝合金作为原材料，采用BLT-S400三激光设备实现快速研制。 铂力特接到生产任务后快速响应，使用BLT-S400系列三激光设备一炉完成成形，总机时35h。由于项目紧急，零件在内部做24小时流转，经后处理、机加工、阳极化等处理，在截止日当天晚上10点完成交付，项目总周期8天。

10. 航天科技一院211厂成功掌握高强铝合金舱段3D打印技术

据中国航天科技集团消息，航天科技一院211厂于2021年成功掌握高强铝合金舱段3D打印技术。高强铝合金舱段普遍应用于211厂多个型号产品。以前，该型舱段产品以铸造、锻造为主，但是铸造、锻造生产均有“缺陷”。在一重点型号预研阶段，该厂提出采用增材制造方法，并得到设计部门的认可。

但是舱段毛坯重量过大，超出了电弧增材设备工作平台的承载极限。攻关团队自主研究工作平台的结构，拆除平台废重，并设计制作了“八爪”结构工装，不仅大幅降低了平台自重，还最大限度地扩展了成形零件的尺寸。然而，舱段刚上架，问题又出现。由于内壁上的特征结构，舱段需要翻转90度后成形。但舱段太重，翻转易受到惯性影响，出现位置偏移。攻关团队在不增加重量的情况下，设计了定位装卡方案，解决了打印过程舱段偏移的问题，该厂成功掌握舱段产品3D打印技术。

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随着3D打印技术的发展，3D打印在教育领域中的应用受到研究者的关注，一些国家和组织也开始对3D打印 的教育应用进行探索。3D打印是未来四到五年值得关注的新技术，将带来教学、学习和研究领域的创新。

与传统制造方式相比，3D打印技术带来的是生产加工理念的革命性变革。其主要技术特征变现为：制造设备无模具，快速自由成型；生产过程全数字化，高柔性；能够制造复杂的几何结构；当前技术可应用于多种材料的制造；可以实现多材料任意复合制造。这些特征使得3D打印技术在实际生产中具备如下优势：

第一：3D打印技术可以缩短加工制造周期，而且能大幅降低生产成本，特别是突破了传统加工制造方法对复杂形状加工的限制，是人类在加工领域实现了自由。

第二：3D打印技术在医疗领域、航空航天领域、首饰制造等特殊领域广泛运用。

第三：3D打印技术成品的可塑性非常强，从二维到三维均可实施，加工过程逐层打印，打印机的加工精度可以达到每层0.01mm.

第四：3D打印技术在个性化定制方面具备极大优势。传统的工业制造依赖产品批量降低产品成本，难以实现个性化生产，但3D打印技术让低成本个性化定制成为可能。

3D打印技术在教育领域的应用

3D打印技术的特征与优点使得该技术广泛应用于新产品的快速开发、个性化制造等领域，我们借助该技术以实现传统技术难以应对的极端复杂结构；利用3D打印技术制作设计方案模型与样品，以优化设计、提升产品功能。同时3D打印技术也为教育行业提供了全新的教学方式，作为一种通用的技术，它可以应用到大部分的学科中去，涵盖正式学习、非正式学习和培训等类型的教育，尤其适用于设计、工程相关领域或是需要快速制作模型的领域，如下图所示。各学科教育中既可以享受到3D打印技术辅助教学的便利，同时还能激发并推动学生进行创新设计，并且对3D打印技术的掌握会对他们的技术素养和未来的职业发展产生深远影响。

3D打印在产品设计实践中的教学

产品设计教学过程中的实践教学环节，主要是教师提出实践项目并带领学生围绕项目开展设计实践训练，而3D打印技术使得设计实践中设计方案的快速原型得以普及。在3D打印机的引入实践教学环节之前，产品设计快速原型主要依赖CNC设备，而此类设备虽然能实现设计样品生产加工，但设备价格昂贵，耗材成本较高，设计方案从CAD到CAM转化过程中需要高素质专业人员解决相关技术问题，并且加工过程中控制设备的操作人员也需要经过专门的训练以应对复杂的技术参数。

在引入3D打印支持的快速原型技术后，产品设计教学中的实践环节得以丰富。尤其值得一提的式设计方案不再停留在图面上，学生能够在教师指导下根据自身需求完成等比模型、苦熬苏原型、试制样品等一系列实践。我们基于此对教学中的设计实践过程进行了修正；

首先，增加了快速原型实践环节。由于FDM技术的一些列优势，使得在有限的教学时间内学生能够完成简单的设计原型。这些设计原型注重整体形态与基本结构，不需要进行表面处理，主要用来研究结构、优选方案、修正设计，在实践项目完成时辅助设计方案评价。师生在设计实践与指导过程中完全采用数字化设计，只需在CAD环节考虑好快速原型的数模需求即可；

其次，设计方案更关注产品形态的创新性。由于3D打印对于复杂造型的轻松实现，使得设计实践中大大降低了对于绘制工程图纸、产品造型的易加工性等环节的精力投入。依赖3D打印技术，设计者可以将有争议的形态或节点以实物方式呈现，全面感受、比对设计方案，完成在图面上难以完成的设计方案优选。

再者，通过快速原型实践有利于学生培养良好的工程习惯。虽然快速原型相对于传统加工收到的工程限制较少，但设计从纸面转化为实物的过程中还是要考虑很多工程问题的。譬如：设计方案具体尺度，设计构件的人机关系，不同部件间的配合方法，简单机构的运转方式等等。学生们以往只是注重效果图的视觉比例关系，而引入快速原型后他们从设计之初就会考虑产品的尺度，按照真实尺寸构建设计方案，研究产品节点与细部架构，设计方案不再停留在外观表皮。

最后，快速原型提升了设计评价准确度，促进了设计指导。由于快速原型的帮助，使得设计方案实物化，在设计评价时实物展示与设计图面互相对照，效果图结合快速原型表现出的节点与机构状态，全方位展示设计方案，使得设计表达更加准确。所以制作快速原型实物易于储存、展示、研究，方便了同学间的交流，对于后续类似设计实践的指导具有极高的参考价值。