3D打印的现状及发展

代 钰

(西南大学 重庆 400000)

3D打印的现状及发展

代 钰

(西南大学 重庆 400000)

3D打印，又称增材制造，是快速成型技术的一种，被誉为“第三次工业革命”的核心技术，是一种综合了数字建模技术、机电控制技术、激光、信息、材料与化学领域的先进技术。材料是3D打印的物质基础，也是当前制约3D打印发展的瓶颈。本文在3D打印的设备、技术、材料、应用等方向分别做了介绍，并对3D打印的现状做了分析，也对其前景做了预测。

3D打印；应用；现状；发展趋势

3D打印技术是一种增材制造技术，在最近迅猛发展，有着巨大的潜力，是当今极其热门的新兴技术之一。与3D印刷技术有着很大的不同，3D打印机按照CAD模型讲塑料、金属粉末或陶瓷粉末以及工程塑料材料甚至是蛋白质粉末等可黏合材料通过不同的喷头，逐层堆积在工作台上最终完成目标零件。与传统减材制造工艺不同，3D打印是一种通过不断增加材料直至工作完成的自由成型技术，在克服传统制造业难加工或无法加工的短板同时，更大幅度减少了整个加工过程中原料的浪费。经过20多年的发展后，如今的3D打印技术不仅价格更低，精度和可靠性也更高。

一、3D打印技术的设备

3D打印的设备3D打印机是3D打印的核心设备，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成，是集机械、控制和计算机技术为一体的复杂机电一体化系统。机械系统的核心灵感来源于笛卡尔机械坐标系，可以沿着右手螺旋坐标系三个方向移动。目前也出现了一些基于极坐标系的打印机，不过还是占少数。计算机软件是设计人员用于设计三维数字模型，并根据需要进行分层处理和加支撑，转化为可以用于打印的文件。控制软件是根据设计出的三维数字打印文件，自动控制机械系统层层打印，最后堆积成产品。

3D打印设备的制造厂商主要集中在美国、德国、日本、瑞典等国家，其中美国的stratasys和3D systems两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。目前国内从事3D打印设备的公司多为代理，真正自主研发的公司并不多。主要从事工业级打印设备制造的公司有湖南华曙高科技有限责任公司以及陕西恒通智能机器有限公司等。

二、3D打印在不同领域的应用

1.制造业。制造业很多需要3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。“空气单车”是位于英国布里斯托尔的欧洲航空防务和航天公司采用3D打印机，应用3D打印技术制造出的世界上第一辆打印自行车。

2.航天和国防。GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前，他们刚刚用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比，这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果，他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是，他们已经“秘密”研发3D打印技术十年之久了。

3.医疗行业。如果有人出了交通事故，需要更换人造骨骼，从前只有几种型号的可供选择，可以使用但并不是完美契合，但是通过获取患者的图像数据，用3D打印机可以直接打印出百分百符合的人造骨骼。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。科学家现在正在尝试利用3D打印技术直接打印活体组织和新器官，如果变成现实，人类讲摆脱疾病。

4.文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时赋值品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密斯尼博物馆就因为原始的托马斯·杰斐逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

5.食品产业。使用“3D食物打印机”制作食物，可以大幅地缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节中的污染与保存等不利影响。由于烹饪的原料和配料必须放置在打印机的容器内，因此食物原料必须是液体或其他可以“打印”的状态。随着食品3D打印的快速发展，各种各样的食品3D打印机将逐渐开发出来。未来蛋糕店的蛋糕将不是由糕点师手工制作，而是由3D打印机打印出来的，这在劳动力成本越来越高的今天将极具吸引力。

三、3D打印的现状

3D打印技术自上世纪90年代初传入我国起，一直深受国内广大科研工作者的高度重视。从3D打印设备到打印材料研发，以及3D打印与传统成形相结合的复合成形技术，国内都有深入的研究。如今，3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略。因此，国内近期持续掀起3D打印热，许多企业，甚至地方政府也都纷纷踏足到3D打印产业中。3D打印技术自上世纪90年代初传入我国起，一直深受国内广大科研工作者的高度重视。从3D打印设备到打印材料研发，以及3D打印与传统成形相结合的复合成形技术，国内都有深入的研究。如今，3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略。因此，国内近期持续掀起3D打印热，许多企业，甚至地方政府也都纷纷踏足到3D打印产业中。

四、3D打印的前景

根据国际快速制造行业权威报告《Wholes Report 2011》发布的调查结果，全球3D行业打印产业产值在1988～2010年期间保持着26.2%的年增长速率。报告预期，3D打印产业未来将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。但3D打印技术要进一步扩展其产业运用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战:一是成本方面，现在3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了一定困难;二是概念方面，现在3D打印技术的概念普及范围还不是很广，国内外各个高校也还没有开设相应课程介绍、学习这门新兴技术;三是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，材料选择的局限性较大，成型品的物理特性也不理想，并且安全方面也存在一定的隐患。随着智能制造，控制技术，材料技术，信息技术等不断发展和提升，这些技术也被广泛地综合应用与制造工业，3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。

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代钰(1997-)男，汉族，山西大同，本科，西南大学。