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【智慧树知到】3D打印技术与应用(西北工业大学)网课章节答案

一、3D打印技术概述

(1)3D打印技术，又称增材制造技术，是一种以数字模型为基础，通过逐层堆叠材料的方式制造物体的技术。与传统的减材制造不同，3D打印可以制造出复杂的形状，且无需工具和模具，大大降低了生产成本。据统计，全球3D打印市场规模预计到2025年将达到580亿美元，年复合增长率超过20%。这一技术的应用领域十分广泛，从医疗、航空航天到教育、文化创意产业，都展现出了巨大的潜力。例如，在航空航天领域，3D打印技术已成功应用于制造发动机部件，不仅减轻了重量，还提高了性能。

(2)3D打印技术的发展离不开材料的创新。目前，3D打印材料已经从最初的塑料扩展到金属、陶瓷、生物材料等。其中，塑料材料因其成本较低、易于加工等优点，在3D打印领域得到了广泛应用。例如，尼龙材料因其出色的强度和耐热性，常被用于制造机械零部件和结构件。此外，金属3D打印技术的进步使得复杂形状的金属部件制造成为可能，如航天发动机的涡轮叶片、飞机的复杂部件等。据相关数据显示，金属3D打印市场预计到2023年将达到25亿美元，年复合增长率超过20%。

(3)3D打印技术的应用案例遍布各行各业。在医疗领域，3D打印技术已被用于制造个性化的医疗植入物和手术导板。例如，美国密歇根大学的研究团队利用3D打印技术成功制造了一种能够修复脊柱的支架，为患者带来了新的希望。在航空航天领域，波音公司和空客公司均采用了3D打印技术来制造飞机零部件，从而提高了生产效率和降低了成本。此外，3D打印技术还被应用于建筑领域，如美国麻省理工学院的建筑系利用3D打印技术建造了一座全尺寸的住宅，展示了这一技术在建筑领域的巨大潜力。

二、3D打印技术原理

(1)3D打印技术原理基于数字模型和物理材料的逐层堆积。首先，设计师使用计算机辅助设计（CAD）软件创建三维模型，然后通过切片软件将模型分割成一系列二维切片。这些切片指导3D打印机逐层打印物体。打印过程中，打印机根据切片信息，将材料逐层堆积，直至形成完整的实体。这个过程类似于传统印刷的原理，但不同的是，3D打印是在三维空间中进行的。常见的3D打印技术包括立体光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积建模（FDM）等。

(2)立体光固化（SLA）技术是通过紫外激光照射液态光敏树脂，使其固化成固态。激光在计算机控制下，按照切片信息在液态树脂表面扫描，一层层固化形成物体。SLA技术具有打印精度高、表面质量好的特点，适用于精密零件和模型制造。选择性激光烧结（SLS）技术则是使用高功率激光束将粉末材料局部熔化，形成所需形状的实体。SLS技术能够打印出复杂的三维结构，且材料种类丰富，包括塑料、金属、陶瓷等。熔融沉积建模（FDM）技术则是将热塑性塑料丝材加热至熔融状态，通过喷嘴挤出并快速冷却固化，形成三维实体。FDM技术操作简单，成本较低，适用于快速原型制作和功能部件制造。

(3)3D打印技术的原理还包括了机器人和自动化控制系统。机器人负责将材料送至打印头，并根据计算机指令进行精确的位置调整。自动化控制系统则负责整个打印过程的监控和管理，包括温度控制、速度控制、层厚控制等。这些技术的结合使得3D打印过程能够高效、稳定地进行。此外，随着技术的发展，3D打印设备正朝着智能化、高效化、集成化的方向发展，为各行各业提供更加便捷、高效的制造解决方案。例如，在航空航天领域，3D打印技术已经成功应用于制造复杂形状的发动机叶片，极大地提高了发动机的性能和效率。

三、3D打印设备与技术分类

(1)3D打印设备根据工作原理和技术特点，主要分为立体光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积建模（FDM）、数字光处理（DLP）、喷墨打印（IJ）等几类。SLA技术利用紫外激光固化液态树脂，适用于制作高精度模型和原型；SLS技术则使用激光烧结粉末材料，适合制造金属和陶瓷等高密度部件。FDM技术通过加热塑料丝材并挤出成型，操作简便，成本较低，广泛应用于快速原型制作和功能部件制造。DLP技术通过投影仪将树脂表面照射成二维层，再固化成型，具有打印速度快、精度高的特点。喷墨打印技术则类似传统打印，通过喷嘴将材料喷射到打印平台上，适用于生物材料和软质材料的打印。

(2)3D打印设备按应用领域可分为工业级、教育级和消费级。工业级3D打印机具有高精度、高速度和多功能的特点，适用于航空航天、汽车制造、医疗等行业的大规模生产。教育级3D打印机价格适中，操作简便，适合学校、科研机构等用于教学和科研。消费级3D打印机体积小巧，价格亲民，便于家庭和个人用户使用。随着技术的不断进步，工业级和消费级3D打印机之间的界限逐渐模糊，更多具有工业级性能的设备开始进入消费市场。

(3)3D打印设备在材料选择