3D打印设备的发展及应用

2015-08-15杜崇铭林湖彬邓淑玲林志丹

科技视界 2015年4期

杜崇铭林湖彬张姿邓淑玲林志丹

（1.惠州市昌亿科技股份有限公司，广东惠州516000；2.暨南大学，广东广州510632）

20多年前，3D打印技术在美国诞生，随后一系列相关技术和设备相继推出并被广泛应用。1988年美国出现了第一台商用光固化成型机SLA250，3D打印设备在短时间内得到了迅速的发展。依托高校的产学研项目和企业的自主创新，中国成为继欧、美之后第3个可以生产3D打印设备的国家。根据Wohlers Associates2012年度报告，世界主要国家和地区设备制造企业生产3D打印设备的情况为：美国72.9%，欧洲10.2%，以色列9.3%，日本3.7%，中国3.6%[1]。

1 3D打印设备在日常生活的发展

近年来，随着3D打印设备的微型化和桌面化，价格实惠的桌面型3D打印机越来越受到人们的青睐[2]。这类设备结构简单，使用便利，容易维护，材料性价比高，成型过程快捷，零件成本较低且对环境无污染，因而广泛用于个人艺术设计。今年美国CES展会（International Consumer Electronics Show）上，3D Systems公司一口气推出了6款新机，其中家用型的第三代Cube打印机支持ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）和PLA（聚乳酸）材质，可以打印152mm×152mm×152mm大小的物件，可以实现20种颜色打印，每层分辨率为75微米。还有一款陶瓷3D打印机和ChefJet食品打印机，可以打印出陶瓷物件和食品。3D MakerBot公司推出的适合家用的MAKERBOTREPLICATOR MINI支持PLA材质，可以打印100mm×100mm×125mm大小的物件，分辨率为200微米[3]。美国纽约康奈尔大学也成功研制了食物制造设备——“3D食物打印机”，将食材和配料预先放入容器（墨盒）内，只需要输入所需食谱，通过所配套的CAD软件就能把美食“打印”出来。用“3D食物打印机”制作食物，可缩减从原材料到成品的环节，方便厨师创作新菜品，制作出更多个性美食。不难发现，3D打印机的打印精度大大提高，不再局限于单一材料或单一颜色，且具有更大的打印空间，离我们的日常生活越来越近。

2 3D打印设备在医疗行业的发展

3D打印技术在医疗方面的运用主要包括：快速制作人体奇怪模型、作为手术植入体、口服控释给药、改良药物测试、电子医疗器械市场等[4]。据报道，3D打印公司3D Systems开发了一套结合了3D打印部件配备电动元器件帮助瘫痪者站立和行走的自动套装。3D Systems称之为Ekso-Suit,它适应使用者的腿和后背来支撑自然行走的动作，是“第一款3D打印混合外骨骼自动套装”[5]。3D打印功能与机器人技术的结合，开辟了全新的领域从而更好的为人类服务。英国专家研发的3D打印技术成功打印出了细胞，这意味着病入膏肓的病人可轻易获得肝脏、心脏或其它器官。威尔·休博士带领赫瑞·瓦特大学研究小组开发了一种基于瓣膜的双喷嘴打印机，可打印高度活细胞，包括组织再生的首例人体胚胎干细胞打印。据英国媒体报道，格拉斯哥大学的研究团队对3D打印机进行改良，在其中加入装有化学药品的容器。经改造，这部3D打印机相当于拥有一个小型的“反应件”，可合成用户所需药品。3D打印设备在医疗行业的发展已超出我们的想象，如果3D打印技术供应商同医院建立合作关系，技术与设备的良好结合必能为该行业创造更高的价值。

3 3D打印设备在工业的发展

2011年，由一个特制3D打印机层叠建造的世界首款打印汽车“Urbee”问世。随后，英国的欧洲航空防务和航天公司采用3D打印机制造出了世界上第一辆打印自行车“空气单车”。随着3D技术的发展，SD300Pro型三维立体打印机被研究开发，并快速应用于工业设计、机械制造、汽车零部件制造和军工等[6]。该设备是以PVC塑料薄膜为主材，采用LOM（叠层实体制造）成型方式。SD 300Pro打印机体积小巧,操作简便，无需复杂的设定，超快速成型，打印出的产品精密又坚固。以色列的Ziv-AV Engineering公司用SD300pro打印出了折叠自行车，德国Encee公司发挥SD300pro的三维快速成型能力将客户要求的塑料卡扣概念在几小时内变为实体。ISCAR公司以SD300pro作为行销工具，打出放大的模型，供客户了解其内部机件工造和工程原理的展示。在国内，西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，成型精度达到了0.2mm；中国科技大学研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造业、光电器件领域得到应用[7]。RepRap公司的3D打印机——Zmorph独特的设计使得挤出机容易安装拆卸，可打印ABS、PLA、尼龙、聚碳酸酯和陶瓷等，打印速度快且效率高。3D设备的发展必将推动工业的飞速发展。

4 3D打印设备在IT行业的发展

迪士尼一研究团队利用3D打印技术，在与有机玻璃具有同样效果的高透光塑料上，以低廉造价打印出了LCD屏幕与多种传感器，这无疑是3D打印技术在IT行业应用中的新突破。在娱乐艺术领域，3D打印机可根据电子游戏、三维动画以及其它创造产生的三维数据轻松制作自定义头像和雕像[8]。近年来，3D打印服务开始在图书馆兴起，据不完全统计，截至2013年4月，世界范围内（不包括中国）已有51家图书馆拥有3D打印设备。达尔豪图书馆采用的是MakerBot Replicator 2型的3D打印机，可以打印出10种颜色，打印文件一般要求是STL格式，其它格式可以通过免费软件MeshLab进行转化[9]。国内首家引进3D打印机的公共图书馆是上海图书馆。随着技术的成熟，应用于IT行业的3D打印设备也将进一步发展。