3D打印技术在可持续运营和计算机应用方面的研究

可持续运营和计算机3（2022）333D打印Anketa Jandyal，Ikshita Chaturvedi，Ishika Wazir，Ankush Raina，PhD，Mir Irfan Ul Haq，PhDShri Mata Vaishno Devi大学机械工程学院，卡特拉，查谟和克什米尔182320，印度aRT i cL e i nf o保留字：3D打印材料聚合物工业4.0增材制造应用制造a b sTR a cT与其他制造工艺不同，作为增材工艺的3D打印已经成为用于生产工程部件的可行技术。与3D打印相关的方面，例如更少的材料浪费，易于制造，更少的人为参与，更少的后处理和能源效率，使该过程可持续用于工业用途。本文讨论了许多3D打印工艺，它们的优点和缺点。全面描述了适用于每种类型3D打印工艺的不同材料。本文还介绍了每种类型的过程的各种应用领域。还包括一个研究表明，尽管3D打印领域已经发展到很大程度，但仍然存在需要解决的问题，例如材料不兼容性和材料成本。未来的研究可以进行开发和修改的过程，以适应广泛的材料。为了扩大3D打印部件的应用范围，需要更多地关注开发成本效益高的打印机技术和与这些打印机兼容的材料1. 介绍关于这个领域，我们想到的最基本的问题是，制造业的关键是我们如何制造材料，或者说我们如何将材料加工成我们想要使用、购买或消费的东西。制造东西的第一种方法是减材制造-我们从原材料开始，并朝着所需的产品前进。然后，下一种类型的制造被称为成型-其中一块材料经历了其尺寸的变化，当力应用。第三种制造技术是铸造-将固体形式的材料熔化成液体形式，然后将液体金属倒入特定的模具中以获得物体。第四种制造方式是增材制造（AM），其中零件逐层增材开发[54，56]。AM和3D打印是涵盖从数字文件创建三维原型和结构的广泛过程的总称。计算机辅助设计的实体建模组件是增材技术的基础。增材模型使用该实体建模数据来创建极薄横截面区域的层，这使得制造复杂和复杂的形状和表面非常困难，通过使用传统方法来实现[1]。如果一台机器包括三个属性，即三维，添加剂和基于层的属性，那么它将被视为3D打印机。添加过程是添加不同的物质以制备所需的子产品。站姿比如说，如果我们想烤纸杯蛋糕，我们拿一个空碗，加入配料，一个接一个，直到我们得到最后的面糊，这是一种添加剂的方法来制作它。另一种制作纸杯蛋糕的方法是，我们可以买一个大蛋糕，把所有的东西都这是一个减法的过程，我们倾向于从一个更大的部分开始，去掉所有不需要的东西。减材制造的例子有手工木雕、数控加工或激光切割等。在3D打印中，这基本上是一种增材制造过程，我们从我们想要建模的零件的基本设计开始[55]。所述设计是在可连接到3D打印机的计算机软件上创建的。然后，该软件生成一个特殊类型的文件发送到打印机。3D打印机读取该文件并创建产品[22]一个是一个是另一个。3D打印中的几乎每个过程都使用层来形成零件。3D打印机一次将部件作为单个二维层读取，而不是整个单个部件。如图1所示的3D打印机的工作原理是基于它们被设计为读取标准镶嵌语言（STL）文件类型的事实。3D打印的可持续性方面，例如更少的材料浪费，更少的后处理和更低的成本，即使是制造复杂的零件，也使3D打印成为未来的技术。其他可持续的方面包括3D打印在重复使用塑料、回收和减少排放方面的潜力。该技术还能够生产具有复杂和优化几何形状的设计，这有助于开发∗ 通讯作者。电子邮件地址：haqmechanical@gmail.com（M.I. Ul Haq）。https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004接收日期：2021年5月28日;接收日期：2021年8月11日;接受日期：2021年9月8日2021年10月7日网上发售2666-4127/© 2021作者。由Elsevier B.V.代表KeAi Communications Co.出版，这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）可在ScienceDirect上获得目录列表可持续运营和计算机期刊主页：http://www.keaipublishing.com/en/journals/sustainable-operations-and-computers/A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3334Fig. 1. 3D打印机创建3D对象的基本过程。重量轻、强度重量比更好的部件。因此，使用3D打印有助于生产可持续的设计2. 3D打印中的工艺类型为了满足高分辨率复杂模型打印的需要，AM方法已经发展。 快速成型技术在AM技术的发展中发挥了重要作用。 AM技术基于三种主要类型，即烧结-材料的温度升高而不被液化以构成复杂的清晰分辨率原型，熔化-使用电子束熔化粉末和立体光刻-使用称为光聚合的方法，该方法使用相关的紫外激光。该激光在聚合物树脂槽上释放，以便抗扭矩陶瓷部件准备好承受最高温度[2]。根据ASTM（美国材料与试验协会），AM分为七个工艺，包括VAT光聚合、材料喷射、粘合剂喷射、材料蒸发、粉末床熔融、片材层压和直接能量沉积[3]。一些主要方法已在后续章节中深入介绍，重点关注每个过程中涉及的工作，优点和缺点，不同过程中使用的材料以及各种3D打印过程的应用2.1. 光固化成型（SL）3D打印的时代始于20年代末，SL是市场上最早推出的3D打印工艺，有史以来第一台3D打印机是用于制造3D模型，3D原型，3D零件和图案的立体光刻/ SL机器。虽然3D打印领域的许多研究都是在20世纪70年代进行的，但这一过程是由Charles Hull在1984年引入并获得专利的。在定义术语Stereolithography之前，我们需要了解SL过程是如何工作的。开始这个过程时，在系统上生成一个CAD文件，并将该文件转换为STL文件类型。此STL文件类型提供3D打印机制造对象所需的几何数据。四个主要部分，有助于制定紫外线（UV）可固化的光聚合物液体，穿孔表，激光源，和计算机控制的过程。读取STL文件类型后，3D打印机开始工作，会被浸在液体罐里当工作台向下移动时，液体聚合物通过穿孔遇到工作台。当液体与桌子接触时，紫外线激光照射到光液体聚合物的上表面，使其立即硬化。然后，该表再次向下移动，以创建逐层几何结构，并且从基层开始熔合每个连续层。完成最后一层后，将3D打印部件浸入另一种树脂中，使3D打印模型与液体聚合物分离。在这个过程之后，所有层之间的粘合在特定的树脂中变得更强，这个3D打印模型现在可以在UV固化炉中烘烤。在该烘箱内，在预定温度下，所有层硬化，强度增加，并获得所需的表面抛光。因此，所有这些过程最终导致完成的对象。现在，我们可以定义术语SL，立体光刻（SL）被概述为一种3D打印方法，在立体光刻/SL机器的帮助下，将该液体光聚合物再次固化成3D物体。2.2. 熔融沉积模型（FDM）FDM是一种使用热塑性薄膜的程序，该薄膜已被烘干至其熔点，然后逐层推出以形成3D物体[5，50]。FDM技术是由Scott Crump在20世纪90年代初由Stratasys Inc.引入的，美国介绍了这一技术。用于FDM的3D打印机包含与一定自由度相关的支撑基座，并且其具有使得其将在垂直方向上移动的布置。在底板上有一个连接薄膜并负责加热的辅助挤出机将薄膜加热到凝固点，然后在喷嘴的帮助下逐层挤出，形成所需的物体。挤出机具有在所有三个方向（X、y和z）上操纵的供应。 它被称为熔融沉积建模的原因计算所需的表面端，最终产品浸入树脂中，与SL方法相似。2.3. 粉末床熔合PBF工艺使用粉末的薄层来构建板，并且能量源（诸如激光或电子束熔合器）将粉末熔合在板中。A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3335根据部件的几何形状制作[6]。 这一过程允许激光选择性地逐层溶解粉末，从而形成三维截面。PBF工艺将粉碎的材料在先前接合的层上展开，使其为后续层的工艺做好准备料斗输送粉碎的粉末，然后通过滚筒或刷子将粉末均匀地散布在粉末床上以形成平台空间。所用工艺和含量的条件决定了每片展开粉的最佳厚度。选择性激光烧结（SLS）、电子束熔化（EBM）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光熔化（DMLM）和直接金属激光烧结（DMLS）都是粉末床熔合（PBF）的名称[6]。2.4. 选择性激光烧结（SLS）德克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔·戴卡德博士和乔·比曼博士在20世纪80年代中期发明了这种方法。选择性激光烧结（SLS）是一种快速原型制作方法，通过将连续的粉末材料层相互结合，可以创建详细的几何形状[8]。在CO2/N2激光器的帮助下，根据所需的表面末端和熔合类型进行层的固化。在这种方法中，化合物粉末- DER用于生产对象的目的。粉末可以可以是热塑性塑料、陶瓷、玻璃、金属等。如果使用的粉末如果金属是由金属制成的，那么这种方法被认为是直接金属激光烧结（DMLS）。SLS打印机由两个腔室组成，功率从第一个腔室转移到第二个腔室，在那里进行实际制造。粉末在低于等效物质熔点的温度下加热。调平器 或存在于粉末顶面的辊通过形成层。制造完成后，需要进行精加工2.5. 粘结剂喷射（BJ）Binder Jetting使用改进版的喷墨技术。麻省理工学院（MIT）介绍了这一过程[9]。而不是使用激光来绑定这个过程，它使用喷墨来绑定对象。它使用喷墨2D打印机技术，并在层上形成3D项目。在此过程中，借助在两个轴上移动的打印头，精确地沉积液体粘合剂。这个过程也像任何其他3D打印过程一样开始，即通过创建3D绘图，然后将其导入打印机软件。由于在印刷过程中需要恒定的供应，因此，分配器通过将粉末放置在要使用的分配器中来确保供应。在应用不同厚度的粉末片材之后，打印头根据规格附着粘合剂。在继续到下一层之前，使用增溶剂干燥含有粘合剂的溶剂。 或电灯。之后，将粉末床降级并施加新的粉末片。然后在循环完成后将粘合剂置于炉中。所需的温度和时间等因素取决于所用粘合剂的性质。金属和陶瓷部件在使用前必须经过烧结、渗透、热处理或热等静压。然而，大多数金属和塑料材料不需要任何后处理，并准备 一旦它们从打印系统中出来就可以使用[10，11]。2.6. 直接能量沉积（DED）与其他3D打印工艺不同，这种方法用于维修和维护，而不是生产组件。DED方法使其更容易通过在沉积时熔化材料来创建材料[12]。用于DED工艺的设备由沉积头和两个粉末进料喷嘴组成，沉积头是能量源和两个粉末进料喷嘴的集成。在该工艺中，可以供给金属粉末，也可以供给细线。要制造的特定部分是保持在平台上，在某些情况下，还存在惰性气体管。 沉积头的方向（其沉积粉末束并结合激光束）是4轴或5轴机器。DED工艺使用集中供热（电子束或激光），然后当它固化时，材料被逐层包裹，在现有产品上修复和制造新的材料对象。2.7. 分层实体制造Helisys Inc. (nowCubic Technologies）于1991年将LOM商业化[13]。它是一种快速原型制作工艺，通过将纸、塑料或金属层压材料以可互换的方式环氧合在一起来制造模型，因此使用激光切割机切割出物品或模型的所需形状。该过程开始于用加热辊将片材连接到基材上并操纵激光或机械切割机，精确切割以下层，然后依次胶合，即（成型后粘合）或反之亦然（即粘合后成型）[1]。具有完成的层的平台向下移动，并且当代金属板被滚动到该位置，同时平台返回到其原始位置以接收下一层。该方法将持续到原型生产。UAM可能是LOM的一个子集，它将层压与超声波金属接缝连接和CNC铣削结合在一起[14]。下表1比较性地列出了与之相关的工艺、优点和缺点。3. 各种3D打印工艺中使用的材料分类在经历了3D打印中使用的各种类型之后，我们想到的下一个问题是，这些过程中使用的材料是什么，这些材料的可行性是什么，它们提供了什么样的属性，以及我们使用它们的过程和应用。因此，基于这些参数，材料方面在以下章节中详细阐述了每个3D打印过程。3.1. 光固化成型中使用的材料立体光刻，如该术语本身所解释的，是一种光学制造方法，其中将UV射线施加到液体单体（也称为光聚合物树脂）以将它们连接在一起以形成聚合物（使它们能够交联在一起）。然后，这些聚合物逐层固化，以根据我们的愿望保持图案在一种称为光聚合的方法中，SL使用UV激光将液体树脂固化成硬化塑料[15]。光固化成型包括添加剂，即稳定剂、增溶剂、单体/低聚物、溶剂、光引发剂和反应性稀释剂等。表2将材料及其性能与应用一起列出[16]。3.2. 熔融沉积成型这些材料具有抗紫外线辐射、硬度、吸水性和生物相容性等特性。这是一种广泛使用的AM工艺，需要使用热塑性材料作为输入的连续胶片[16]。表3详细说明了几种材料类别的性能和应用及其示例。3.3. 选择性激光烧结在这种方法中，激光器用作颗粒材料（通常是聚酰胺或尼龙）烧结的电源，如三维模型所示，激光器自动指向空间中的预定位置，将材料粘合在一起，以创建一个A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人表1可持续运营和计算机3（2022）3336比较3D打印中不同工艺的优点和局限性。S.No.工艺优点缺点1高表面光洁度。复杂的零件可以很容易地制造。高精度。高耐热性。通过这种工艺制造的3D打印部件可以作为铸造的模型暴露于激光的表面积较小（约0.15 mm），这使得它成为一个缓慢的过程。初始投资成本高。悬置部件难以制造。光敏树脂很难处理。2熔融沉积成型高表面抛光。减去初始投资成本。可以很容易地制作复杂的形状。无废料生成。高溶解性这是一个缓慢的过程，尽管所需的时间取决于要制造的零件。质量不如SL或SLS。3粉末床融合低成本。不需要外部支持。广泛的材料选择。粉末回收。需要进行后处理由这种过程形成的材料的弱结构特性耗时的过程。4选择性激光烧结用SLS可以很容易地制造上述两种工艺无法制造的复杂零件。不需要任何外部支持。适合大规模生产。良好的准确性和精密度。制造成本高需要后处理大表面、小孔难以精确制造。5粘合剂喷射高分辨率。高表面抛光。不需要后期处理。可以在大面积上进行印刷。一次打印多个文件。材料有限。部件强度低。承印物是印刷所必需6直接能量沉积7分层实体制造可以创建更密集的零件允许定向固化，增强功能。有效地用于维修和翻新部件。不需要外部支持。便宜.快速处理。适用于大型零件。耗时的过程。分辨率和表面修饰较差。材料有限。需要后处理尺寸精度差。表面修饰复杂的零件很难制造。表2SL法中的材料、性质及应用材料属性应用/行业3.4. 用于粉末床熔合的该方法由精细的粉末微粒层组成，这些微粒分散并紧密结合在平台上[1]。PBF是DC 100收缩率更低，精度DC 500在自然界中像蜡一样，很容易燃烧。DL 350具有高弹性，耐疲劳，耐化学腐蚀等性能，与聚丙烯相似.用于珠宝首饰的模型铸造。用于制作精确和较细的珠宝线图案，这些图案用于生产工业和一般用途的零件。一种快速制造工艺，其中使用热源例如激光器来引发粉末颗粒之间的部分或完全合并，并且用辊或刮刀再涂布机辊压以进一步使粉末层平滑。PBF方法的结合过程包括熔化和烧结[16]。PBF方法的实例是SLS工艺[30，31]、电子束熔化（EBM）方法[32，33]和选择性激光熔化（SLM）方法。材料、性能和PBF中包含的申请在下面的表5中提到，DL 360坚固透明。生产一般零件需要透明特性的用途和工业用途。表6[16]。3.5. 用于粘结剂喷射的AB 001提供良好的强度和稳定性和电气用于生产坚固和光滑的零件。粘合剂喷射AM工艺，也称为“粉末床和喷墨”&GM 08特色它具有高度的柔韧性、强度和弹性，以及透明性。生产不需要进一步精加工的零件“滴粉”印刷。其材料示例总结在下表7中[16]。DM 210出色的表面质量和包括陶瓷型性能。用于需要液体硅树脂的珠宝图案，可以很容易地从3.6. 用于直接能量沉积的在一个基本方面，DED过程的操作概念橡胶.强大的结构。它与选择性激光熔化（SLM）相当，工作原理相同，但需要不同的技术条件。该激光器用于具有较低熔化或烧结温度的粉末，另一方面，使用液体粘合剂。SLSSLM与各种聚合物、合金和金属粉末一起使用，而SLM通常适用于某些金属，如钢和铝[25]。表4给出了该工艺中所用材料的比较研究。与PBF的不同之处在于，在这里，高密度和强大的激光集中在放置在物质本身上的粉末材料的稳定流上，而不是预先沉积的金属粉末层[16]。下表8列出了比较研究材料及其特性[34]。3.7. 用于层压物体制造的材料两种主要类型的片材层压方法定义如下，第一种是在该过程中使用激光切割材料片材，该过程被称为层压物体制造（LOM），第二种是通过超声波连接这些片材A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）33表337FDM方法中的材料、性能和应用。材料类别材料特性应用热塑性聚合物聚合物基复合材料聚乳酸（PLA）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、ABSi、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯砜（PPSF）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）、Ultem 9085、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、聚氨酯、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯（ASA）、尼龙12等。[16]玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强聚合物（CFRP）。[17个]与此相关的性能包括韧性和强度、紫外线稳定性、良好的耐化学性和高抗疲劳性以及高冲击强度。具有较高的抗拉强度和抗弯强度等特点。[16个]与韧性、延展性、屈服强度等的兼容性由于其良好的耐热性能，它们适用于航空航天和空气动力学应用。建筑应用。陶瓷浆料和粘土绿色陶瓷/粘结剂混合物绿色金属/粘合剂混合物氧化铝、氧化锆、高岭土。[18]化学和物理稳定性、耐热性、相容的导热性、强度和硬度。氧化锆、磷酸钙[19]耐化学品和腐蚀，在断裂韧性、硬度、耐磨性和耐热性方面具有很好的相容性，良好的摩擦性能，较低的导电性和导热性，以及自然界中的非磁性等。[20个]不锈钢，钛，铬镍铁合金。[21]提供粘合剂粘度、流动性、更大的烧结密度，导致部件的均匀微观结构。[21]具有强度高、重量轻、耐腐蚀等特点。一般用途以及牙科领域的应用。适用于骨替代支架[19]和压电组件的结构用于制造工具和固定件等机械部件。食品酱糖和巧克力流动性烹饪生物材料Bioink [23]易于打印，具有所需的机械性能，可以很容易地生物降解，并且我们可以很容易地在表面上安装可修饰的官能团，打印后成熟的能力更好，生物相容性和能够在打印后保留3D打印结构。[24日]生物打印的器官和疤痕。表4SLS方法中的材料、性能和应用激光材料特性应用CO2/N2聚合物包括聚酰胺[26]、聚碳酸酯、聚苯乙烯（PS）、热塑性弹性体（TPE）、聚芳醚酮（PAEK）其特点是具有理想的烧结性能，如半结晶热塑性塑料[26]，高韧性，热稳定性等。早期设计过程中的原型制作，汽车零部件，五金等。Nd：YAG陶瓷具有极高的硬化性、机械强度、更好的热稳定性和化学稳定性，以及可用的热、电、光和磁特性。[27日]航空、生物医学、冶金应用。[28日]Yb光纤玻 璃 ，如熔融石英，硼硅酸盐玻璃。[29日]耐化学性、热稳定性等[29]玻璃过滤器，医疗和化学领域。[29日]表5金属良好的导热性，因此可用于选择性激光熔化在各个行业的不同应用。SLM方法中的材料、性质和应用材料性能应用钛（Ti）耐腐蚀性和热膨胀性，具有良好的生物相容性，同时具有高强度和低密度。不锈钢提高了耐磨性、耐腐蚀性，同时具有良好的延展性、硬度和淬硬性。铝（Al）轻金属，具有较低的密度和较好的导电性以及合金化特性和易于加工的能力。钴铬合金具有生物相容性，硬度增加，耐腐蚀性，强度和延展性相当。镍基合金具有良好的可焊性和可淬性，以及抗腐蚀性和出色的机械强度。其应用包括但不限于设计、医疗、汽车、航空航天、海洋工业和珠宝行业等。这些材料在汽车工业、海事和医疗技术、工具制造以及机械工程的各个领域都有广泛的应用。这些部件用于航空航天工程、汽车工业、原型制造领域，具有复杂的几何形状。在医疗和牙科领域，以及需要更高耐热性能的行业，例如喷气发动机。用于航空航天工程和需要耐热性能的领域，也可用于工具制造。表6EBM方法中的材料、性能和应用材料性能应用钛耐腐蚀性和热膨胀性，具有良好的生物相容性，以及高强度和低密度。钴铬合金增加了强度和耐磨性，生物相容性，具有热性能。为航空航天和赛车场、海洋、化学工业以及骨科植入物和假体等医疗应用构建原型。在发电、整形外科、航空航天和牙科领域。A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3338表7BJ法的材料、性能及应用材料性能应用不锈钢耐热、耐腐蚀，抗拉强度更高。用于泵、钻、矿机械的零部件。陶瓷珠高渗透性以及更好的热性能。钢合金使用此铸造，也可用于打印必须在铸造过程中承受高的金属静力和随后的应力条件Inconel合金使产品具有良好的机械性能和更高的密度。铁提供更好的机械性能，也是优秀的耐磨性。用于制造燃气轮机叶片，用于生产加压核反应堆中使用的蒸汽发生器，密封件以及压力容器，这些广泛应用于航空航天工业。应用于汽车零部件、工具以及机床的生产和维修，同时它们也在装饰五金中很受欢迎表8DED方法中的材料、性能和应用材料性能应用钛耐腐蚀和热膨胀，具有良好的生物相容性，同时具有高强度和低密度。铝合金是一种密度较低、导电性较好的轻金属，具有合金化特性，易于加工。用于自动化和航空航天工业的维修工作。填充裂缝和重新装配制造部件。不锈钢耐热、耐腐蚀，抗拉强度更高。涡轮发动机的维修和其他此类复杂应用。铜可锻性、延展性好，表面光洁度好。工业应用。Inconel，陶瓷良好的机械性能和更大的密度。航空航天生物医学应用表9LOM方法中的材料、性能和应用材料性能应用聚合物导热性好，粘接性好。造纸业。复合材料高模量、低密度、优异的抗疲劳性等。造纸工业等陶瓷化学和物理稳定性、耐热性、相容的导热性、强度和硬度。铸造和锻造工业。纸是电的电子工业。金属填充带，金属卷更好的机械性能。适用于智能结构。并且该过程被描述为超声增材制造（UAM）[16]。下表9是一些材料及其性能和应用的总结[1]。4. 3D打印到目前为止讨论的每一个过程都是最有用的，在最短的时间内以最少的浪费制造产品。此外，该工艺有助于轻松形成具有最高质量的复杂结构。在3D打印的帮助下，工业正在现代化和革命化。制造模式正逐渐从传统工艺转向非传统工艺（3D打印）。它需要对材料及其各自的特性有深入的了解。根据目前对材料和工艺的了解，已经使用3D打印对传统技术进行了一些修改。在本节中，我们将简要讨论到目前为止所讨论的各种过程的一些应用。图2集中展示了本文中讨论的应用程序4.1. .立体光刻的应用4.1.1. 心脏瓣膜支架心脏瓣膜组织工程是一种新的实验原理，即从自体细胞中制备具有活性和功能的心脏瓣膜组织。为了制造心脏瓣膜支架，使用聚合物材料。SL是组织工程心脏瓣膜的一项重要技术。它形成可行的组织，能够像实际组织一样在人体内生长。使用X射线计算机断层扫描和其他软件创建立体石模型，以创建可生物降解和生物相容的瘢痕。这些都是人类的，很容易被人体接受。目前，使用无生命的机械瓣膜，其不具有生长的能力，因此，身体排斥它们的概率很高因此，这种新技术克服了这些限制[35]。4.1.2. 牙科用二硅酸锂微晶玻璃的制备天然牙齿具有一定的透光性，部分吸收、吸收和传递光线。在之前的领域中，金属陶瓷缺乏透明度是特别明显的，因此是不利的，这导致了全陶瓷桥的产生。由玻璃和陶瓷制成的材料通常用于牙科行业中用于个性化和美容性的清洁。通常采用二硅酸锂的AM技术进行加工，提供高密度（>99%）的完整陶瓷部件，符合牙科修复使用的标准。采用熔融法在SiO_2-Li_2 O-Al_2 O_3-K_2 O-P_2 O_5系统玻璃中合成了锂二硅酸盐微晶玻璃，并在该玻璃的析晶温度下对试样进行了热处理。所制造的玻璃具有优异的机械性能，例如高强度，这允许可重复打印和脱粘牙冠和桥，特别是在前牙区域[36]第30段。4.2. 熔融沉积成型4.2.1. 药物输送术语“药物分布”是指基于纳米颗粒的程序、制剂、系统和技术，其用于根据需要在体内安全地分布药用物质，以实现期望的治疗结果，同时保持健康。在生产个体化片剂时，基于FDM的3D打印提供了主要优势，例如简化了生产工艺、增强了固有特性和分布了剂量类型。FDM是一种基于挤出的廉价3D打印技术，通过逐层沉积材料来产生固体几何形状。由于FDM是一种热基工艺，因此传热特性和熔融聚合物流变性是影响FDM性能的重要因素。A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3339图二. 3D打印工艺的各种应用。在为作业选择材料时，材料是要考虑的关键因素。热塑性聚合物由于其低熔点而主导FDM应用。最广泛使用的聚合物是用于FDM药物递送系统的聚乙烯醇[37，38]。4.2.2. 熔模铸造如今，用户的规格是在缩短的时间跨度内提供优质的廉价组件，这是一个重大挑战，因此需要简化相应机器的操作参数。FDM工艺已成功地用于工业铸造，以合理的价格生产蜡和蜡型。在熔模铸造和部件装配中，良好的表面光洁度和尺寸精度至关重要。模具复制母模所呈现的任何表面状态。因此，为了制造出好的铸件，FDM创建的主模型必须具有良好的表面光洁度。在FDM中用于生产铸造模型的最常用的非蜡材料是苯乙烯-丙烯腈-丁二烯。使用FDM系统生成的蜡和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯模型都被证明在烧除陶瓷型壳方面是有效的，并且对铸造厂的正常生产有轻微的改善。 异常过程蜡门和通风口通过ABS模型在熔模铸造中通过铸造连接，并且作为模型的组成部分[39]。4.3. 粉末床熔融4.3.1. 直接金属激光烧结以制造轻量化机器人结构部件AM技术之一，直接金属激光烧结（也称为激光烧结）， 作为激光粉末床熔合），利用激光源通过使用CAD数据将各种层熔化在一起来直接制造近净形部件。通过近净型加工技术形成的金属产生的材料与最终尺寸和形状几乎相同，仅需要几个精加工步骤。这种方法用于铝合金中，以制造机器人轻质部件。由于非常精细的微观结构，非常有趣的机械性能，因为已经实现了高硬度和强度。在单个开发阶段中，制造了具有关节的轻质手指外骨骼。它还具有所需的所有机械性能[40]。4.3.2. 基于PBF具有嵌入式传感器或智能组件的能源设备模块可以是在操作期间对实时系统的性能和原位监测进行反馈的途径。由于传感器定位所需的部件设计的改进，传统的表面接触或腔体传感器增加了破坏调节的风险。能源系统的更大功能。使用增材制造技术的智能部件制造将使传感器能够灵活地集成到结构中，而不会牺牲结构和/或功能。逐层的方法使传感器能够安装在零件内部的任何所需位置，从而提供对零件体积内先前不可达区域的无与伦比的访问。此外，亦正研究由停走工艺所产生的组件配准及界面粘合强度等问题，以进一步完善智能零件制造的工艺。AM技术将彻底改变设计 通过使嵌入式传感器能够在通常暴露于高温的部件的敏感区域内添加功能，从而实现对金属部件的更高性能要求[41]。4.4. 直接能量沉积4.4.1. 修复不锈钢为了制造316L不锈钢部件，经常使用PBF，一种3D打印技术。如果这些PBF件在操作过程中严重退化或磨损，传统的修复工艺可以提供帮助。然而，这些技术存在许多缺点，例如形成被热和修复缺陷破坏的大区域。相比之下，DED提供强冶金结合、最小稀释和小热吸收区域。由于不均匀形核，恢复区的显微结构主要由复杂的枝晶结构组成。沉积区的显微硬度也大于A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3340表. 103D打印工艺，应用，材料，优点和缺点。聚合物容易使用.陶瓷、金属辊和复合材料。直接能量沉积合金和金属的形式线或粉末、聚合物和陶瓷。光固化成型是一种光活性树脂单体、聚合物-陶瓷的混合物。选择性激光烧结尼龙，热塑性塑料，阻燃尼龙。颗粒状的金属、沙子和陶瓷。铸造行业，智能结构。航空航天、翻新、维修、覆层、生物医学。生物医学模型。电子、包装、连接器。全彩原型制作及宽幅砂型铸造经济，非常适合生成更大的系统。低成本和时间，机械性能好，成分调节准确，出色的修复效果高分辨率、优质的效果。高复杂度几何学低成本，快速，简单和便宜。和尺寸精度、复杂形状的制造限制。精度低，表面光洁度差，对于具有精细细节形状的复杂印刷的限制。材料少，印刷速度慢，成本高。热变形，粗糙表面，收缩，翘曲的制造部件。密度低，收缩不渗透。型芯和模具。原始热轧试样的厚度，与PBF规格相当[42]。4.4.2. 修复汽车模具钨极惰性气体（TIG）焊接长期以来一直用于修复汽车发动机制造中使用的模具，但在需要再次修复之前，它只能持续原始模具寿命的20.8%。一种混合修复方法已经开发出来，这需要删除损坏的区域，然后重建他们添加使用粉末吹DED。经DED修复的模具持续的时间与原始模具相同死的由于需要更早地进行进一步维护，DED维修限制了对紧急维修和计划外停机的需求。 得益于本发明，修复后的DED模具现在可以持续与原始模具一样长的周期[43]。4.5. 选择性激光烧结4.5.1. 快速模具快速开发已经成为缩短产品上市时间的主要推动因素，并成为提高生产率的技术。SLS工艺是最常见的快速成型技术之一。SLS方法用于使用各种技术快速原型化模块。用于制造工具刀片的材料是铜聚酰胺（它们比其它材料便宜），另一方面，所有尼龙基材料都用于制造用于制造的原型或具有功能特征的部件，如铰链，芯片，用于制造铜聚酰胺模具插入件的SLS技术可用于制造有限数量的预成型模具，使用与最终生产部件相同的材料和制造方法的生产部件。有效使用快速仪器过程需要详细了解设计特征[44]。4.5.2. 选择性激光烧结可生物降解聚合物用于组织工程组织工程（TE）由于使用生物替代物来修复被破坏或受损组织的潜力而取得了进展。这是一生物医学工程领域的深度和相关性不断增加。临时三维支架通常用于指导基于锚定的细胞类型中的细胞增殖。由于计算机控制的制造技术具有生产复杂的宏观和微观结构的潜力，因此已经认识到计算机控制的制造技术如快速成型（RP）过程比基于人工的规模化制造技术具有优势。尽管用于sca模型建筑的RP处理能力巨大，但市售RP建模材料不具有生物相容性，并且不适合直接用于sca模型开发。聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯醇（PVA）、聚己内酯（PCL）和聚L-乳酸（PLLA）以及生物陶瓷羟基磷灰石是正在生产的生物相容性聚合物。SLS技术的参数已被调整以与这些材料一起工作。扫描电子显微镜被用来检查SLS制造的scabronchold specimens。显微照片表明，它们可用于制造TE支架，SLS方法可为TE应用产生高度多孔的支架[45]。4.6. 粘结剂喷射4.6.1. 医药制造粘合剂喷射打印是制药行业迄今为止最有前途的三维打印技术。2015年，美国食品和药物管理局（FDA）修订了粘合剂喷射工艺，以促进 生产Spritam（第一个3D打印片剂）作为替代大规模制造技术。在未来的十年里，粘合剂喷射打印预计将对配方生产产生重大影响。特别是粘合剂喷射印刷的好处是允许制造商生产具有广泛释放特性的口服剂型，从快速溶解到控释平台。尽管它具有积极的特点，但它确实有一些缺点[46]。4.6.2. 粘结剂喷射法在骨整形及种植中的应用Sca支架是生物相容的三维结构，它模拟细胞外基质的方法材料应用贝内菲茨缺点熔融沉积成型粉末床熔合热塑性聚合物连续纤维增强连续纤维压缩的细粉成分，有限聚合物、金属&先进复合材料零件和玩具的快速成型。医疗、电子、航空和降低成本，提高速度，分辨率高，质量好。机械性能差，材料受限。打印速度慢，成本高，孔隙率高。分层实体制造合金.聚合物，金属填充胶带，轻型结构。造纸，减少工具，表面稠度低A.让迪亚尔岛查图维迪岛Wazir等人可持续运营和计算机3（2022）3341和骨组织生长。他们的发现是基于化学，孔径，孔体积和机械能力。将不锈钢和磷酸三钙组合以产生混合物，并用于各种体积分数中，以使用粘合剂喷射AM技术制造各种密度的切片金属和合金、陶瓷和聚合物是最常用的植入物生物材料磷酸钙具有最大的生物相容性和与天然骨骼相似的特性然而，它们具有差的断裂韧性和拉伸强度，这限制了它们在生物植入物中的应用粘合剂喷射工艺的主要制造策略如下：（a）CAD文件分为多个层，并从每层生成STL文件（b）在粉末床表面上撒上一层薄薄的粉末，标志着每一层的开始(c)粘合剂材料选择性地粘合颗粒，（d）覆盖粉末床并降低加工中的零件的活塞，使得下一个粉末片可以延伸并选择性地接合;（e）这种逐层过程持续直到部件完成;（f）在热处理之后，分离未结合的粉末并将金属粉末烧结在一起。[47]第47段。表10列出了各种3D打印应用，与各种3D打印技术相关的优点和缺点[48，49]。5. 3D打印与工业4.0第四次工业革命或工业4.0包括各种技术，这一德国概念将改变制造业。它涉及各种概念，如机器间通信、物联网（IoT），以便实现自动化并在人类最小技术干预的情况下开发机器[51，52]。关注3D打印的技术方面- 为了实现工业4.0的目标，3D打印是工业4.0概念中的重要组成部分。此外，最近的进展在4D打印领域，智能材料的开发已经成为可能，这进一步增加了增材制造在工业4.0中的作用。虽然工业4.0的概念也涉及工业数字化，但3D打印可以在工业4.0场景中发挥至关重要的作用。工业4.0还旨在开发一种工业设置，其中系统是自主的，并且在员工、机器、供应商和最终用户之间存在足够的互连性。在上述讨论中，我们已经包括了与3D打印相关的不同材料，工艺和技术。3D打印的各种好处，如数字数据传输、远程访问、最少的人为干预、开发复杂几何结构和智能材料的能力、更少的浪费、更少的后处理要求，将有助于实现工业4.0的目标。6. 结论3D打印作为一种可持续技术，有可能取代传统技术。3D打印除了具有成本效益外，还具有环境友好性，因此可以帮助减轻工业化对环境的不利影响。根据研究的文献，可以得出结论，许多3D打印技术已经发展出不同的材料与它们兼容。每种3D打印技术都有不同的优点和缺点。除了处理复杂形状的能力外，3D打印零件需要的后期处理非常少在3D打印技术中，FDM是最常见的技术，但更适合聚合物材料。基于粉末的技术如SLS面临各种问题，如粉末的运输和储存困难。7. 未来建议未来的研究可以改进3D打印过程，使其更有效，并与各种材料兼容。研究了不同工艺条件下各种工艺参数对所研制零件力学性能这些部件的应用可以通过使3D打印过程更加用户友好，效率和成本效益来扩大。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] T.恩戈A.卡沙尼湾因巴尔扎诺湾Nguyen，D Hui，增材制造（3D打印）：材料，方法 ， 应 用 和 挑 战 的 综 述 ， Comp. 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