3D打印技术的研究与应用述评

2016-07-22郑金库梁起瑞周浩谢启强马

科技与创新 2016年13期

郑金库++梁起瑞++周浩++谢启强++马建军++吴金卓

文章编号：2095-6835（2016）13-0001-03

摘要：作为一种快速成型的先进制造技术，近年来，3D打印技术得到了各行各业的广泛关注。基于国内外有关3D打印技术的研究和应用，介绍了3D打印技术的定义，分析了3D打印技术的特点，并分别从国内外不同领域总结了3D打印技术的应用情况，最后指出了我国在3D打印技术方面的发展潜力，并提出了相应的发展建议。

关键词：3D打印；材料类型；打印过程；技术优势

中图分类号：TP334.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.001

随着科学技术的迅速发展，传统的制造技术已经不能满足人们的使用需求，于是，开始寻求一种新型的制造方法。3D打印技术便在此背景下应运而生了。人们基于传统的二维打印技术，大胆创新，将二维打印技术扩展到三维领域，将喷墨式打印机平面化的图案、文字采用原材料逐层堆叠的方式生产出三维立体实物。近年来，3D打印技术的发展已经引起很多国家的重视，它频繁地出现在各大主流媒体中。3D打印技术被称为全球第三次工业革命的重要标志之一，它对传统制造业的生产方式产生了巨大的影响。本文在分析3D打印技术特点的基础上，总结了其在国内外不同行业的应用情况和发展前景，并为我国3D打印行业的发展提出了相关建议。

1 3D打印技术

1.1 概述

3D打印技术起源于20世纪90年代，它是一种快速成型的先进制造技术。由于其制造特点，它又被称为“增材制造技术”。其原理可以概括为逐层打印和层层堆叠。实现3D打印的方法有很多，比如熔融沉积式（Fused Deposition Modeling，FDM）、直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、石膏3D打印（Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing）、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、数字光处理（Digital Light Processing， DLP）等，具体如表1所示。其中，最常见的是熔融沉积式（Fused Deposition Modeling）。材料是3D打印的物质基础，在实际应用中，往往需要结合制造方法的特点来选择合适的打印材料。目前，可以用于3D打印的材料主要有五大类，分别是工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料。

1.2 3D打印的过程

3D打印主要包括4个环节，即三维建模、模型分层、逐层打印和后期处理。

1.2.1 三维建模

使用AutoCAD等三维绘图软件为打印对象的三维数据建立模型，或者可以利用一些专业的3D扫描仪扫描所要获取对象的三维数据，将数据以数字化的方式导入计算机内生成虚拟模型。

1.2.2 模型分层

3D打印机无法直接读取3D模型数据的命令，所以，需要依靠与打印机相适配的专业软件将输入的3D数据模型在Z方向上分成若干薄层。薄层的厚度由打印机的种类和特性决定。

1.2.3 逐层打印

根据分层后的模型，3D打印机将准备好的原材料均匀地涂抹在X-Y平面内，材料黏结成截面的形状，然后在该层截面上涂抹下一层，如此往复。

1.2.4 后期处理

因为模型是逐层打印的，现有的3D打印机并未达到10 um的精度，所以，模型的表面比较粗糙，甚至会有毛刺。打印出的模型往往需要经过后期处理，在模型表面打磨、修整、上色，最后形成成品。

2 3D打印技术的特点

2.1 3D打印的优势

2.1.1 节约材料

工业上，传统的材料加工方法实际上是一个去除材料的过程，材料利用率不高，存在资源浪费的情况。而3D打印恰好相反，它是根据已知的三维数据，通过3D打印机逐层打印，增材制造。这样既免除了制造模具的过程，提高了材料的利用率，又避免了复杂的锻造工艺，达到了优化生产工序、节省材料和能源的目的。

2.1.2 降低生产成本

与传统制造工艺不同，3D打印技术不需要各种机械加工或模具，只有一个生产工序，即通过已知的三维结构数据打印制造。这极大地简化了生产工艺，摒弃了传统的生产线，缩小了车间设备的占地面积，减少了能源的使用，最终达到降低成本的目的。

2.1.3 可制造复杂结构

对于一些结构复杂的物体，传统的制造方法程序繁杂，不易制造。而对于3D打印而言，将要打印的物体的三维数据输入计算机中，无论其模型结构多么复杂，都可以轻松地制造出模型，使设计想法不再受有限的制造能力的禁锢。

2.1.4 直接制造

3D打印技术是将设计好的模型三维数据通过计算机转化为SLT的格式输入到打印机中，打印机接收到数据指令后就会将预备好的原材料逐层涂抹，直接堆叠出设计模型。它不需要其他传统的各种专业生产设备或事先制备模具等，极大地缩短了生产对象的研制和加工周期。

2.2 3D打印的不足之处

2.2.1 打印材料单一

打印材料一直是阻碍3D打印技术发展的一个重要问题。尽管目前已经开发出多种可以利用的3D打印材料，但是，它们还不能满足某些特定的物品属性，仍需不断研发。另外，一些材料的3D打印技术还不够成熟，比如金属材料打印。由于其熔点高，涉及固液相变等多个物理过程，所以，在打印时，存在稳定性不足的问题。

2.2.2 精度有待提高

目前，市场上3D打印机的分辨率能够达到600 dpi。即使是普通的3D打印机，其精度基本上控制在0.3 mm以下，打印厚度只有0.01 mm。这个精度已经能够满足普通打印对象的要求，但是，对于一些非常精密的特殊打印产品还是不够的，例如照相机的镜头。

2.2.3 效率比较低

在目前的科技水平下，3D垂直打印速率能够达到25 mm/h的厚度，实现24位色彩的彩色打印。对于单一物体的打印，这样的速度差强人意，距离实现快速批量生产的目标还远远不够。在此需要注意的是，提高打印精度与提高打印效率二者是矛盾的。而如何同时提高这两者是下一步需要解决的问题。

2.2.4 造价居高不下

3D打印机的制造成本与其打印精度密切相关。打印机的精度越高，造价就越高。市场上3D Systems的高精度3D打印机要90万元，即使桌面级3D打印机也要几千元。如何让3D打印机走进千家万户，降低打印机的造价也是日后需要解决的问题之一。

3 3D打印技术在国内外的应用研究

3D打印技术已经被应用于国内外的诸多行业中都，包括生物医疗、食品加工、航空航天、土木建筑、工业设计、机械制造等。只要能够提供物品的三维模型，就可以三维打印任何物品。随着3D打印技术的不断发展，它将在更多的领域中发挥作用。

3.1 生物医疗领域

3D打印技术在医学领域发挥的作用越来越重要。3D打印技术在医学方面的应用包括医用模型制作、临床手术、组织器官修复和研制新型药物。目前，在医疗教育的过程中，使用的医用模型制作工序繁杂且耗时长，制作原料以石膏为主，所以，在使用过程中容易被损坏。而经过3D打印制作的医用模型可以选择多种不同的材料，可以较好地解决这个问题。同时，对于一些特殊模型，应用这项技术也可以快速制作出来。在临床医学外科手术中，医生可以利用CT扫描患者的手术部位，将扫描后的三维数据通过3D打印机将患者手术部位打印出来，使医生更直观、细微地观察患者病灶的结构，提高手术效率和成功率。我国东北林业大学三维数字化技术研究所已与哈尔滨市医大一院、二院等多家大型医院合作，利用3D打印技术联手开启医疗新时代，让医生可以在术前模拟切割，使手术过程更加顺利。另外，3D打印技术也为器官移植开启了新思路。3D打印技术将人们熟知的塑料、树脂等原材料更换成生物相容性细胞、信号分子、支架材料、生长因子等“生化材料”，通过计算机设计好组织器官的打印程序，经特殊的打印机制作出相应的人体器官，缓解了器官来源短缺的压力。现有的技术力量已经能够打印出骨骼、血管、肝脏等组织，但还无法打印出具有真正生理功能的复杂器官。

3.2 食品领域

2011-07，英国研发团队研制出世界上第一台3D巧克力打印机。这意味着3D打印技术可以在不久的将来改变人们制作食品的传统方式。对于发展中国家甚至发达国家，保证饮食的健康性、科学性和合理性是当前急需解决的问题。胡迪·利普森等认为，利用3D食品打印技术未来可以实现自身量化饮食，比如糖尿病患者可以上传血糖数据，然后用软件计算出下一餐的营养均衡食谱，并将食谱发送给厨房里的3D食品打印机，实现合理饮食，再也不必担心饮食不合理引发的健康问题。

在太空中时，宇航员食品的营养健康以及如何延长保质期的问题可能会因3D打印机的出现而被解决。宇航员在太空中执行任务时，在飞船舱内固定一台食品3D打印机，事先储备好蛋白质、脂肪、维生素、矿物质、维生素、水和膳食纤维等营养成分。这样原材料的保质期很长，宇航员可以随时打印所需的新鲜美味食物，避免了食物浪费，同时，设备小巧，占地少。

如今的3D打印技术能够打印出30多种不同的食物，主要分为六大类，即糖果、烘焙食品、零食、果蔬产品、肉制品和奶制品。由于这种新奇的食品制作方式还不为人们所认可，因此，3D打印食品行业的发展仍然面临许多问题。但是，可以肯定的是，3D打印与饮食的结合必将改变人们对加工食品的看法，传统的餐饮业也将被颠覆。

3.3 航空航天领域

近几年，许多国家将3D打印技术应用到航空航天领域，制造出了高精密的零部件，部分飞机制造公司已经将3D打印技术应用于飞机零部件的制造中，特别是一些形状、结构复杂的高精度零件。据悉，著名飞机制造商波音公司正致力于打印体积比较大的部件的研究。2001年，Aero Met公司制造了一批适用于歼击机的钛合金次承力结构件，其中包括发动机舱推力拉梁、机翼转到折叠接头、翼梁等构件，并于2002年成功地完成了激光快速成形钛合金次承力结构件在某些战斗机上的安装试用和飞行考研，还制定出了专门的技术标准（AMS4999）。该零件满足疲劳寿命4倍的要求，静力加载到225%也未被破坏。2015年初，全球知名航空发动机制造商GE公司研发出了首款采用3D打印技术制造的飞机引擎零件——T25压缩机入口温度传感器外壳，并顺利通过了美国联邦航空局FAA的认证。该零件的打印材料为钴铬合金的微细粉末，具有质量轻和坚固的特点。由此可以看出，越来越多的3D打印技术被应用于航空航天领域中，解决了一些现存的难题。它的出现对这一领域的发展起到了重要的推动作用。

3.4 土木建筑领域

随着3D打印技术的日臻完善，人们不再只局限于小型物品，开始尝试体积大的实体打印。2014年，在上海制造出第一批3D打印房屋，打印原材料主要包括高标号水泥、建筑垃圾和玻璃纤维等。打印房屋的工程巨大，在实施过程中还存在许多的问题。一个巨型3D打印设备需要与计算机相连，按照事先设计好的房屋三维图形，喷嘴会喷出某种黏合物与建筑材料沙子、石灰等铸成石质固体，每层的打印厚度在10 mm左右。正因其独特的制造方法，传统的建筑材料无法满足3D打印建筑技术的需求，所以，需要研发新型的建筑材料，其组成成分和加工方式都需要改进。目前，轮廓工艺、D Shape、打印混凝土作为三大增材制造工艺，在公共领域尤其是建筑领域有很好的发展前景。其中，轮廓工艺是指将原材料混凝土通过一个大型喷嘴依照计算机中建筑设计图的位置命令一层层地喷涂，形成建筑的墙体结构。当墙体达到预定的高度后，可将屋顶吊置在墙体上。“轮廓工艺”3D打印技术是由美国宇航局与当地的南加州大学共同研究的，在短时间内就可以打印出大约200 m2的房屋。这项技术不仅节约了建造时间和成本，也为绿色制造打开了一扇大门。目前，3D打印技术在建筑领域的应用尚不成熟，多数科研团队的研究还局限于建筑设计，距离真正的3D打印房屋还有一段距离，有许多问题需要解决。比如，3D打印建筑材料、打印的房屋抗压性、强度等还有待考察。总的来说，3D打印建造技术能节省材料，减轻工人的劳动强度，降低劳动成本，具有很好的市场前景，符合国家可持续发展规划的要求。

4 3D打印技术展望

4.1 国内3D打印技术现状

目前，我国各大高校、企业已纷纷踏入3D打印行业。我国早期研究3D打印技术的清华大学经过几年的钻研，已经在激打印、成型技术、打印材料及其应用方面取得了可喜的成绩。

北京航空航天大学、大连理工大学等高校也在不同的快速成型技术研究中取得了不错的成绩。与此同时，内地的一些企业发现了3D打印行业的发展前景及其潜力，正在全力推动3D打印机的推广和销售，例如深圳维示泰克、南京紫金立德等企业。然而，这些企业的规模不大，多采用一些国外的技术，其产品性能还无法与国外3D System等公司的产品相媲美。高校有最新的技术力量，企业有着完善的运作系统，因此，国内高校与企业之间合作也是比较常见的。经过几年的发展，在国家政策的大力扶持下，我国的3D打印技术产业取得了一定的成就。虽然与欧美的一些国家相比有一定的差距，但是，以此发展速度看，在不久的将来，我国的3D打印技术也将进入世界前列，在这个过程中也必将面临很多困难和阻碍。

4.2 关于3D打印的发展建议

4.2.1 加大扶持力度

我国3D打印技术仍处在发展阶段，许多技术性的问题还有待解决。为了使3D打印技术更加完善，国家需要继续加大对3D产业的扶持力度，投入资金研发新型的打印设备，在现有的3D打印机基础上，大幅提高打印的精度和效率，继续开发多样化的打印材料，整合多类3D打印软件，实现CAD/CAPP/RP的一体化，进而提高其响应速度。

4.2.2 促进3D打印产业链的形成

我国的3D打印产业还不成熟，国家有关部门应当对现有市场进行监督和保护，尽早整合，统一规划，及时拓展3D打印技术在其他行业的应用，尽快打开市场，加大推广力度。利用互联网达到信息的快速交互，将制造商、市场和客户紧密联系到一起，形成一条严谨的供应链，设计者也能通过互联网达到远程在线制造的目的，从而促进3D打印产业链的形成。

4.2.3 制订关于3D打印的法律法规

3D打印技术的出现不仅改变了资本和工作的分配模式，还令现今的知识产权出现了“灰色地带”。3D打印只需要一台计算机，一部打印设备即可完成，人们只要有相应的三维数据就可以随意打印，现在还没有相关完善的法律法规对3D打印产业进行规范化的限制，可能会无法保护研发者的知识产权，出现市场混乱的情况。因此，需要为国内3D打印市场的发展制订相应的法律法规，使3D打印行业以健康蓬勃的姿态持续性发展。

5 结束语

本文在介绍现今应用比较广泛的3D打印技术的基础上，深刻剖析了国内外3D打印技术在技术和经济性上的研究进展，并指出了我国在发展3D打印技术方面存在的不足。自3D打印技术出现以来，受到了多个国家的广泛关注，而且也在不断发展。这项技术对于传统制造方法的发展有巨大的影响，同时，也为现今其他行业中存在的问题提供了一种新的解决思路和方法。因此，各个国家都在大力发展3D打印技术，相信在未来的几年里，3D打印技术会更加贴近人们的生活，成为社会发展的新航标。

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