3D打印在社会发展中的应用

孙杭 赵建平

摘 要：3D打印技术是综合了控制技术、信息技术、三维数字技术等众多技术的新型技术产物。通过对3D打印技术成型工艺的阐述，对其成型工艺的材料和特点进行介绍。根据产品的特点和使用场合的不同，如在医疗、文物修复、食品加工、服装设计、航空航天、建筑等方面的应用，为3D打印技术的创新发展和探索提供了参考依据。

关键词：3D打印;医疗;文物修复;食品加工;航天;建筑;服装设计

3D打印是快速成型技术的一种，也称“增材制造”，以数字模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束等工具将食用（植物蛋白、动物蛋白）、金属、陶瓷、医用树脂、薄膜、特殊合金等材料，经过逐层堆叠、层层打印，制造实体产品的过程。相比传统的模具制造、机械加工而言，3D打印技术更加“先进快捷”。3D打印只要能生成三维数字模型，就能打印所需要的产品。3D打印技术具有节时、节能、个性化定制、高精度、高复杂、降低组装成本等优点。在医疗、食品加工、航天、文物修复、建筑等方面因其特殊的加工方式而得到了广泛的应用[1]。

1 3D打印技术的成型工艺

3D打印技术的成型工艺分为：熔融沉积式（FDM）、电子束自由成形制造（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光熔化成型（SLM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理（DLP）等。

（1）熔融沉积式（FDM）。以热塑性树脂、食用材料（面粉、巧克力、牛奶等）、热熔共晶金属、高柔性材料为打印原料，用高温喷嘴将材料加工成熔融状态，根据CAD的工件截面轮廓信息，沿水平面运动，一层截面成型后进行下一层的堆积，如此循环，直到三维产品成型。该方法特点是使用和维护简单、成本低、速度快，可以用作小批量生产[2]。

（2）电子束自由成形制造（EBF）。以铝、镍、钛、不锈钢、合金等材料，首先创造一个真空空间，利用高能量的离子束对金属材料表面进行轰击，轰击后会在表面形成熔化池，金属材料在熔化池内熔化，并按照预先规定的路径运动，使金属逐层堆叠凝固，形成致密的合金，直到制造出金属零件或毛坯。该方法特点是成形速度快、材料利用率高、无反射、能量转化率高。

（3）直接金属激光烧结（DMLS）。以镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合材料为原料，通过二氧化碳激光器产生激光，对激光进行传输，用振镜进行控制，使合金粉末融化，一层一层叠加形成产品。该方法特点是结合强度高、变形小、熔覆工艺好、工艺时间短[3]。

（4）电子束熔化成型（EBM）。以导电金属为材料，用逐层制造法制成密实度与锻造件完全相同的零件。在一层钛粉膜熔化并凝固后，下一层钛粉膜重复施行，直至整个零件制成。该方法特点是熔炼温度高、炉子功率和加热速度高、提纯效果好[4]。

（5）选择性激光熔化成型（SLM）。其材料同电子束自由成形制造技术类似，以金属和合金材料为主，利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，经冷却而凝固成型的一种工艺。该方法特点是产品力学性能好、精度和表面质量有保证。

（6）选择性热烧结（SHS）。以热塑性粉末为材料，使用的热打印头，被保持在升高的温度下，这样的机械扫描头只需要提升的温度稍高于粉末的熔融温度，以选择性地结合，直到产品成型。该方法特点是价格实惠和高质量的印刷。

（7）选择性激光烧结（SLS）。以金属、陶瓷、塑料等材料的粉末为原料，采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的产品。特点是材料适用面广、精度高、强度高[3]。

（8）分层实体制造（LOM）。以纸片、金属薄膜、塑料薄膜等为材料，将其背面涂有热熔胶的材料用激光切割，切割完一层，将新的一层叠加上去，用热粘压黏合在一起，然后切割、黏合，直到三维物件成型。其特点是成本低、效率高、模型支撑性好[5]。

（9）立体平板印刷（SLA）。以液态光敏树脂为材料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。其特点是精度高、强度和硬度好，可制造出较为复杂的空心部件[6]。

（10）数字光处理（DLP）。以光硬化树脂为材料，用数字光源以面光的形式在液态光敏树脂表面进行层层投影，层层固化成型。特点是超高精度、表面光滑、材质好[7]。

2 3D打印技术的应用现状

2.1 在医疗领域的应用

在医学应用中是通过以下过程来构建三维模型的：医学图形图像三维重构技术→CT＼＼MRI断层数据导入Mimics→通过阈值提取轮廓→利用软件区域增长工具进行热选择→生成三维数字模型。

2.1.1 3D打印牙齿

3D打印牙齿以医用型树脂为原材料，采用SLS技术[8]。3D打印在口腔医学方面的应用包括：修复领域、正畸领域、种植领域、颌内外科领域。在修复领域，可以通过3D打印技术制作义齿、牙模、仿真牙龈、咬槽骨等。在种植领域，在实施手术前，先用3D打印技术打印患者牙齿模型，通过对模型规划进行手术;这样不仅可以减少手術的误差和风险，还能使义齿的植入更加贴合人体。在正畸领域，可以制作各种个性化的正畸产品，比如，3D打印正畸牙套，可以让患者一次就诊当场戴牙。不仅极大地提高了生产效率，而且还能给患者美观舒适的体验[9]。

2.1.2 3D打印骨骼植入体

3D打印骨骼主要用到熔融沉积技术、立体光刻技术和选择性激光烧结技术。3D打印骨骼用到材料如下：金属材料、无机材料、有机材料等。医生可以使用计算机断层扫描技术获取患者的创伤骨骼的三维数字模型，并根据患者的伤势情况做出调整，打印出符合患者的创伤骨骼模型。医生可以通过参考3D打印实体模型进行手术模拟，优化手术过程。3D打印还可以打印一些如骨钉、骨板等创伤植入体模型，使用具有生物活性的可吸收材料，来达到帮助骨骼矫正恢复的作用。因为这些材料具有生物活性可以被人体所接受，并不需要作额外的手术取出，防止二次伤害，影响患者康复[10]。

2.1.3 3D打印活体器官

3D打印可以用来打印人体器官雏形，先建立器官的三维数字模型，根据3D打印机建好的三维数字模型逐层打印出实物模型。此3D打印机有两个打印头，一个放置患者的人体细胞，被称为“生物墨”;另一个可打印“生物纸”，其成分主要是水的凝胶用作细胞生长的支架。因为3D打印机所采用的是患者的人体干细胞，所以并不会发生排异反应。其过程是先在打印机中生成已经建立好的三维数字模型，先把3D模型打印好，然后将一层细胞置于另一层上，打印完一层生物墨细胞，再补上一层生物纸凝胶，直到新器官打印完成[11]。

2.1.4 3D打印皮肤、义眼和假肢

人类皮肤是由真皮层和表皮层组成，真皮层主要由成纤维细胞构成;表皮细胞由角质细胞、黑色素细胞等构成。3D打印皮肤的结构必须类似于人体皮肤才不会发生排异反应。3D打印皮肤所需要的生物材料分为真皮层和表皮层，真皮层材料是“特殊生物墨水”于成纤维细胞等材料的融合;表皮层材料是“特殊生物墨水”于角质细胞、黑色素细胞等材料的融合。这种特殊的生物墨水一般由凝胶和血小板等细胞组成。

传统手工制造义眼，如何使眼窝与义眼完美匹配也是一个很大的挑战。传统义眼是一种“奢侈品”，因其制造困难和耗时较长，所以其价格居高不下。义眼并不能视物，但其可以帮助促进眼部肌肉的活性，也可以帮助那些先天眼睛有缺陷的儿童，使其外貌接近正常儿童以避免受到歧视。3D打印义眼是通过CBCT扫描来制作3D打印模型。3D打印义眼最困难的一步是如何得到眼睛的精确三维数字模型。

人们的肢体一旦受到损伤，会给生活带来数不清的麻烦，3D打印假肢就应运而生。3D打印假肢所用的材料是钛金属，因其耐用、轻质、生物相容性非常好，而广泛用于生物领域中。3D打印与传统手工制作相比更加适应人体需要。3D打印假肢可以根据患者的需要进行个性化的制造，因其材料的高利用率和高性能，使打印的假肢不仅在使用上更加贴合舒适，而且非常轻便，不会给患者带来额外的负担。

2.1.5 3D打印药丸

立体光固化成型（SLA）技术可以用于制作3D打印药物。能在打印前将药物与光固化结合在一起，保持药物内部的“固化矩阵”，从而减少药物降解。2016年3月，FDA批准的癫痫药物SPRITAM便是使用3D打印技术制造药片特殊的结构，以便其更快速溶解[12]。

2.1.6 3D打印医用器械

3D打印技术在特殊医用器械的制造中被广泛应用。3D打印产品在辅助治疗方面：如矫正器、助听器、导航板、关节支架等诸多医疗器械，已经在临床医疗中得到大规模应用。手术器械方面：进行不同的手术要用到不同的手术器械，当遇到特殊的病人要用到“独特”的医疗器械进行手术。传统制造工艺对于这种“独特”的医疗器械进行制造远没有3D打印技术的效率高，而且3D打印技术可以满足其所需要的任何器械（理论上）[13]。

2.2 3D打印在文物修护中的應用

历史上遗留下来的遗迹、文物都具有重要的历史价值。任何的文物、遗迹都是当时科学技术水平的体现，反映了当时的政治、经济、军事和文化状况。对于研究古代的风土面貌具有重要的文化价值。但是文物或遗迹出土后，如何修复是一个关键的问题。3D打印技术与传统工艺相比，把加工材料依据不同的形状分为点、线、面三种类型;依据材料的不同分为金属材料、陶瓷材料、非金属材料、塑料材料等，通过3D打印文物修复可以省略很多中间步骤，缩短所需的工期，减少能源损耗，降低技术的门槛需求。3D打印技术通过对文物的三维立体扫描，得到文物的外部形状点集，再把这些点集输入到计算机终端进行过滤和建模[14]。

使用3D打印技术首先要采用信息采集技术，建立虚拟三维模型需要三个步骤：建立虚拟3D模型→处理虚拟3D模型→打印虚拟3D模型三个步骤。其中建立虚拟3D模型是最为困难的，文物出土后对其建立三维模型是很困难的，要用到特殊的扫描仪器。这时要用到手持式的三维扫描仪对文物进行360度的扫描建立三维数字模型，手持三维扫描仪进行全方位无死角的扫描，在对文物进行扫描时，不仅要把握扫描仪的平稳性，还需要把实体文物模型全面覆盖。为了使扫描的数据更加完整，我们需要扫描多组数据栈，为后面的数据处理工作和实体建模做基础。需要关注的是在扫描过程中要注意物品的摆放位置，以便于在扫描中能把所有的数据采集到[15]。

2.3 3D打印在食品加工中的应用

3D打印食品主要以3DP和FDM技术为主，以面粉、牛奶、果汁、奶酪等为材料为主。

3D打印甜点：可以打印出“独特的造型”，满足人们的需要。根据打印材料的不同，可以打印不同种类的食品。例如：（特殊造型的）巧克力、糖果、蛋糕、奶酪、小吃等。其中以巧克力为材料打印的甜品非常受年轻人喜爱，他们认为这是“爱情的象征”。消费者可以通过3D打印技术打印出自己满意的产品。

3D打印肉制品：消费者可以根据自己所需要的营养成分来调整打印材料，从而打印出自己需要的肉制品。对于儿童、孕妇、医院病人等特殊人群，3D打印可以制作出他们“量身定做”的产品。3D打印肉制品可以在原材料上做出调整，用丰富蛋白质的昆虫和植物蛋白来作为原材料，可以提高人造肉的蛋白质水平。

3D打印航空食品：原材料简单易得，人们可以通过随心搭配来生产出自己需要的食品，这些食品更容易保存，其中的碳水化合物、蛋白质等营养物质以及各种微量元素在没有水分的情况下可以保存几十年。因此可以使用高营养的材料采用3D打印技术来打印食品，为我们的身体健康和高效工作提供基本保障[16]。

2.4 3D打印在服装领域的应用

3D打印服装主要使用FDM成型工艺。3D打印服装要借助人体以外的空间，用工艺手段和面料性能来搭建一个人体、面料共同构成的立体三维模型，以满足消费者对于功能性和审美的要求[17]。3D打印构建的三维模型，既体现了服装的功能作用，又展示了服装的装饰表现特征。目前3D打印在服装的应用有鞋子、内衣裤、礼服、裙子等。通过3D打印技术不会余下废料，也不需要制版，加工过程更加方便环保，颠覆了传统的服装制作流程[18]。

2.5 3D打印在航空航天中的应用

3D打印技术在航空制造领域的应用主要集中在三个方面：产品外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造。航空工业3D打印材料主要集中在钛合金、铝锂合金、超高强度钢、高温合金等材料，这些材料基本都具有强度高、化学性质稳定、不易成型加工、传统加工工艺成本高昂等特点[19]。而在3D打印技术方面，航空领域应用较多的3D打印技术主要采用SLM（选择性激光熔化）、EBM（电子束熔化）、DMLS（直接金属激光烧结）等技术形式。3D打印技术在卫星产品一体成型中有着不可替代的作用，目前可用3D打印的部件有蜂窝板、桁架和卫星贮箱。航天领域的3D打印技术的发展对于一个大国而言非常重要[20]。

2.6 3D打印技术在传统机械制造中的应用

在传统机械制造中比较困难的是精度问题，一个部件一旦精度达不到就等于是废件，浪费了大量的人力物力。而3D打印的特点是定制化、生态化、智能化，这对于传统机械制造来说是一个光明之道[21]。3D打印技术可以大幅提升机械制造成品率，切实确保产品质量，助力机械制造的产业发展。3D打印可应用与样品生产、新产品研发、特殊环境的零部件[22]。

样品生产：有的厂家要展示自家的大型机械产品，但是这样对与运输和场地来说要求太高，要提前准备就会浪费很多的人力物力。可以运用3D打印技术对那些体型巨大的大型机械进行三维建模，打印它们的“展示产品”来体现机械的性能。

新产品研发：若以传统的加工方式来加工新产品机械模型，成本太高、周期太长，3D打印技术可以快速地生产机械模型，加快新产品成熟速度。特殊环境产品：在太空中的机械损坏的速度较之要快得多，这时要经常更换零件来保持机械的正常运转，需要3D打印技术生产无数种零件来作为备用[23]。

2.7 3D打印在建筑行业中的应用

3D打印技术在建筑物重建方面：通过文献和影像资料获取建筑物3D模型信息，参考原建筑物的尺寸和外形进行打印。通过混凝土3D打印技术进行批量打印，可以快速地恢复受灾人群“无处可住”的现状。能间接重振灾民精神，恢复原有的生产秩序[24]。构筑物的重建工作偏向于城市或者社区标志物的重建，此类标志物形态大都较为规整，材质较为沉重，与混凝土表现的粗犷感相吻合，借助混凝土打印工艺，不仅能在灾区本地建立构筑物，亦能以目标构筑物的模型为原型，在其他地区进行仿制，将局部地区的教育和纪念价值拓展到更大范围，通过技术手段升华构筑物的文化价值[25]。

3D打印在建筑行業主要有四种技术：轮廓成型工艺、混凝土打印、D型打印技术、数字建造。可以根据建筑的不同要求采用不同的打印技术，得到令人满意的“个性化”建筑。独特的建筑要用到独特的材料，而且有的建筑风格用传统的建筑工艺太过烦琐，3D打印建筑可以应用不同场合不同需要的人群。

3 结语

3D打印技术是综合了控制技术、信息技术、三维数字技术等众多技术的新型技术产物。根据材料和需要的成型工艺，3D打印技术可以进行多方面的制造，以满足社会对于“个性化”的要求。

在医疗方面：3D打印牙齿采用SLS技术，用医用树脂为原材料。3D打印骨骼采用熔融沉积技术、立体光刻技术和选择性激光烧结技术，用金属和陶瓷材料进行打印。3D打印药丸采用SLA技术。3D打印器官采用患者自身的细胞作为原材料，不会发生排异反应。3D打印皮肤和义眼技术还不成熟，需要时间沉淀。3D打印医疗器械已经在临床上得到广泛应用。

文物修复方面采用三维扫描构建实物模型，逐层打印成实体。食品加工方面主要以3DP和FDM技术为主，用面粉、牛奶、果汁、火鸡肉、奶酪等材料进行打印。年轻人更加青睐“独特类型”的巧克力。服装方面以FDM技术为主，用不同性能的面料打印不功能的服装。目前，已经用于鞋子、内衣裤、外套、礼服、裙子等实体打印。

航空航天方面3D打印技术用得最多的是SLM、EBM、DMLS技术，主要用来打印各种高精密的零部件。在传统机械制造方面，3D打印技术凭借其优良的成型工艺，已经被广大制造公司接受。在建筑物重建方面，3D打印技术可以凭借轮廓成型技术、混凝土打印、D型打印技术、数字建造等技术来快速完成房屋的构建、建造成型，还可以给人一种独特的“科技范”。

综上所述，3D打印发展得非常迅速，在社会生活中各个方面都有涉及，但是精确到一个类型的一个具体方面还没有完成覆盖，以上介绍各个方面的3D打印技术可以为以后3D打印的探索和研发提供参考依据。

参考文献：

[1]王康，黄筱调，袁鸿.3D打印技术最新进展[J].机械设计与制造工程，2015，44（10）：16.

[2]韩江，王益康，田晓青，等.熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究[J].制造技术与机床，2016（6）：139142，146.

[3]张希平，苏健强，高健.3D打印技术及我国的发展现状[J].信息技术与标准化，2015（6）：1721.

[4]赵冰净，胡敏.用于3D打印的医用金属研究现状[J].口腔颌面修复学杂志，2015，16（1）：5356.