浅谈3D打印技术

刘举新

摘 要：3D打印技术是一种生产率高、成本低的新兴技术，有非常广阔的市场发展前景，本文对其优势、应用领域、发展现状及未来前景进行了分析与展望。

关键词：3D打印；优势；不足；应用领域；现状；未来前景

中图分类号：TP334.8；TJ07 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2017）11-0279-01

一、3D打印简介

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，无需机械加工或任何模具就能直接从计算机图形数据中生产任何形状的零件，从而极大地缩短，产品的生产周期提高生产率和降低生产成本。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。

它的过程原理也比较好明白，每一层的打印过程分为两步，一开始需要在成型的区域喷洒一层特殊胶水。依据的是胶水的本身很小，且不易扩散的原理。然后是喷洒一层均匀的粉末。粉末遇到胶水会迅速固化粘结。而没有胶水的区域仍然保持松散状态。这样在一层一层的粉末的交替下，实体模型将会被打印成型。打印完毕后只要扫除松散的粉末即可刨出模型。而且出于节省，剩余的粉末还可以循环利用。

其主要优势是节省材料。不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；能做到较高的精度和很高的复杂程度，可以制造出采用传统方法制造不出来的、非常复杂的制件；不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的三维CAD图形生成实物产品；它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期。3D打印无需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；它能打印出组装好的产品，因此，它降低了组装成本，甚至可以挑战大规模生产方式。制作的物体可以根据人们的需求来完成，也可以说是私人定制，避免与很多物体重复，理论来说只要是人们需要的形状，再通过电脑设计出来打印机都可以打印出来。这样独特生产吸引了众多关注。

其面临的问题主要是受打印材料局限，因为目前为止，打印材料只有塑料，树脂？？，和金属，骨骼等有机原料。不像工厂生产中材料多种多样。而且不得不考虑打印出来的东西强度问题。房子，车子固可以打印出来，但是否能抵挡风雨，是否可以在路上行驶。还有精度问题，由于分层制作，存在“台阶效应”每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成，具有一定厚度，如果需要制造对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上有偏差。

二、应用领域

人们已经使用该技术打印出了灯罩、身体器官、珠宝、根据球员脚型定制的足球靴、赛车零件、固态电池以及为个人定制的手机、小提琴等，有些人甚至使用该技术制造出了机械设备。比如，美国麻省理工学院（MIT）的博士生彼得·施密特就打印出了一个类似于祖父辈使用的钟表的物品。在进行了几次尝试之后，他最终用打印机打印出了塑料钟表，将其挂在墙上，结果，钟开始滴答滴答地走。

3D打印技术在医疗器械领域应用，它可以直接生成器官结构，打印出立体模型，医生据此判断、实施复杂的手术。患者的心脏手术非常复杂，医生需要根据需要选择适合型号的医疗器械。在术前，打印出患者的心脏模型，医生可以对患者的心脏结构有了更精确的判断，研究、选择好要放置的PDA封堵器，再加上娴熟的技术能大大提升治疗成功率，使很多原本不可能的手术成为可能。三维打印机的应用领域也在随着技术进步而不断扩展。美国科学家已研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。人们还使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三维物体并打印出了食品。

三、现状

3D打印近些年来收到世界各国的关注，中国也不例外，经常出台相关政策鼓励扶持其技术研发和产业化，就目前形势来看，3D打印发展火热，其应用也非常广泛，航天、医疗、汽车这些产业3D打印都有涉及。2016年3D打印行业出现了洗牌的迹象，老牌企业业绩大幅下滑，技术创新不够、工艺水平落后、价格居高不下，这是同质化竞争导致的。

目前全球3D打印行业整体现状处于“小而散”的格局当中，还没有绝对的龙头企业和龙头人物产生。既缺乏成熟的商业模式引领，也没有有效打开应用市场。原因在于3D打印技术本身不是一项替代性很强的技术，大家还没有找准市场定位，对于3D打印技术认识也有误区，这项技术也不是万能的。“小而散”的行业格局，不利于新兴技术发展。

業界的普遍共识是，谁先将应用市场打开，谁就有可能走在3D打印技术的最前沿。目前国内和国际3D打印行业的差距，在材料上，技术上，在生产工艺上还有不小的差距，但是机会还是在我们这边，关键是我们能否将3D打印技术与传统产业的转型升级结合起来，推动3D打印技术在当前艰巨的结构调整中发挥重要的引领作用

四、未来的前景

从战略层面看，3D打印可帮助国内企业从设计、制造层面实现弯道超车。其可以规避规模化生产的部分缺点如强周期波动、产品同质化等，在某些领域可能成为未来“分布式制造”的基石。作为国家发展战略的重要一环，政策支持预期开始明朗。

指导教师：任硕，潘畅