3D打印設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用

杜崇銘 林湖彬 張 姿 鄧淑玲 林志丹

（1.惠州市昌億科技股份有限公司，廣東 惠州516000；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州510632）

20多年前，3D打印技術(shù)在美國(guó)誕生，隨后一系列相關(guān)技術(shù)和設(shè)備相繼推出并被廣泛應(yīng)用。1988年美國(guó)出現(xiàn)了第一臺(tái)商用光固化成型機(jī)SLA250，3D打印設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。依托高校的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目和企業(yè)的自主創(chuàng)新，中國(guó)成為繼歐、美之后第3個(gè)可以生產(chǎn)3D打印設(shè)備的國(guó)家。根據(jù)Wohlers Associates2012年度報(bào)告，世界主要國(guó)家和地區(qū)設(shè)備制造企業(yè)生產(chǎn)3D打印設(shè)備的情況為：美國(guó)72.9%，歐洲10.2%，以色列9.3%，日本3.7%，中國(guó)3.6%[1]。

1 3D打印設(shè)備在日常生活的發(fā)展

近年來，隨著3D打印設(shè)備的微型化和桌面化，價(jià)格實(shí)惠的桌面型3D打印機(jī)越來越受到人們的青睞[2]。這類設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用便利，容易維護(hù)，材料性價(jià)比高，成型過程快捷，零件成本較低且對(duì)環(huán)境無污染，因而廣泛用于個(gè)人藝術(shù)設(shè)計(jì)。今年美國(guó)CES展會(huì)（International Consumer Electronics Show）上，3D Systems公司一口氣推出了6款新機(jī)，其中家用型的第三代Cube打印機(jī)支持ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）和PLA（聚乳酸）材質(zhì)，可以打印152mm×152mm×152mm大小的物件，可以實(shí)現(xiàn)20種顏色打印，每層分辨率為75微米。還有一款陶瓷3D打印機(jī)和ChefJet食品打印機(jī)，可以打印出陶瓷物件和食品。3D MakerBot公司推出的適合家用的MAKERBOTREPLICATOR MINI支持PLA材質(zhì)，可以打印100mm×100mm×125mm大小的物件，分辨率為200微米[3]。美國(guó)紐約康奈爾大學(xué)也成功研制了食物制造設(shè)備——“3D食物打印機(jī)”，將食材和配料預(yù)先放入容器（墨盒）內(nèi)，只需要輸入所需食譜，通過所配套的CAD軟件就能把美食“打印”出來。用“3D食物打印機(jī)”制作食物，可縮減從原材料到成品的環(huán)節(jié)，方便廚師創(chuàng)作新菜品，制作出更多個(gè)性美食。不難發(fā)現(xiàn)，3D打印機(jī)的打印精度大大提高，不再局限于單一材料或單一顏色，且具有更大的打印空間，離我們的日常生活越來越近。

2 3D打印設(shè)備在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展

3D打印技術(shù)在醫(yī)療方面的運(yùn)用主要包括：快速制作人體奇怪模型、作為手術(shù)植入體、口服控釋給藥、改良藥物測(cè)試、電子醫(yī)療器械市場(chǎng)等[4]。據(jù)報(bào)道，3D打印公司3D Systems開發(fā)了一套結(jié)合了3D打印部件配備電動(dòng)元器件幫助癱瘓者站立和行走的自動(dòng)套裝。3D Systems稱之為Ekso-Suit,它適應(yīng)使用者的腿和后背來支撐自然行走的動(dòng)作，是“第一款3D打印混合外骨骼自動(dòng)套裝”[5]。3D打印功能與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，開辟了全新的領(lǐng)域從而更好的為人類服務(wù)。英國(guó)專家研發(fā)的3D打印技術(shù)成功打印出了細(xì)胞，這意味著病入膏肓的病人可輕易獲得肝臟、心臟或其它器官。威爾·休博士帶領(lǐng)赫瑞·瓦特大學(xué)研究小組開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機(jī)，可打印高度活細(xì)胞，包括組織再生的首例人體胚胎干細(xì)胞打印。據(jù)英國(guó)媒體報(bào)道，格拉斯哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行改良，在其中加入裝有化學(xué)藥品的容器。經(jīng)改造，這部3D打印機(jī)相當(dāng)于擁有一個(gè)小型的“反應(yīng)件”，可合成用戶所需藥品。3D打印設(shè)備在醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展已超出我們的想象，如果3D打印技術(shù)供應(yīng)商同醫(yī)院建立合作關(guān)系，技術(shù)與設(shè)備的良好結(jié)合必能為該行業(yè)創(chuàng)造更高的價(jià)值。

3 3D打印設(shè)備在工業(yè)的發(fā)展

2011年，由一個(gè)特制3D打印機(jī)層疊建造的世界首款打印汽車“Urbee”問世。隨后，英國(guó)的歐洲航空防務(wù)和航天公司采用3D打印機(jī)制造出了世界上第一輛打印自行車“空氣單車”。隨著3D技術(shù)的發(fā)展，SD300Pro型三維立體打印機(jī)被研究開發(fā)，并快速應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、汽車零部件制造和軍工等[6]。該設(shè)備是以PVC塑料薄膜為主材，采用LOM（疊層實(shí)體制造）成型方式。SD 300Pro打印機(jī)體積小巧,操作簡(jiǎn)便，無需復(fù)雜的設(shè)定，超快速成型，打印出的產(chǎn)品精密又堅(jiān)固。以色列的Ziv-AV Engineering公司用SD300pro打印出了折疊自行車，德國(guó)Encee公司發(fā)揮SD300pro的三維快速成型能力將客戶要求的塑料卡扣概念在幾小時(shí)內(nèi)變?yōu)閷?shí)體。ISCAR公司以SD300pro作為行銷工具，打出放大的模型，供客戶了解其內(nèi)部機(jī)件工造和工程原理的展示。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，成型精度達(dá)到了0.2mm；中國(guó)科技大學(xué)研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造業(yè)、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用[7]。RepRap公司的3D打印機(jī)——Zmorph獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得擠出機(jī)容易安裝拆卸，可打印ABS、PLA、尼龍、聚碳酸酯和陶瓷等，打印速度快且效率高。3D設(shè)備的發(fā)展必將推動(dòng)工業(yè)的飛速發(fā)展。

4 3D打印設(shè)備在IT行業(yè)的發(fā)展

迪士尼一研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，在與有機(jī)玻璃具有同樣效果的高透光塑料上，以低廉造價(jià)打印出了LCD屏幕與多種傳感器，這無疑是3D打印技術(shù)在IT行業(yè)應(yīng)用中的新突破。在娛樂藝術(shù)領(lǐng)域，3D打印機(jī)可根據(jù)電子游戲、三維動(dòng)畫以及其它創(chuàng)造產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像[8]。近年來，3D打印服務(wù)開始在圖書館興起，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年4月，世界范圍內(nèi)（不包括中國(guó)）已有51家圖書館擁有3D打印設(shè)備。達(dá)爾豪圖書館采用的是MakerBot Replicator 2型的3D打印機(jī)，可以打印出10種顏色，打印文件一般要求是STL格式，其它格式可以通過免費(fèi)軟件MeshLab進(jìn)行轉(zhuǎn)化[9]。國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)3D打印機(jī)的公共圖書館是上海圖書館。隨著技術(shù)的成熟，應(yīng)用于IT行業(yè)的3D打印設(shè)備也將進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)語

3D打印設(shè)備在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持方面已有顯著的提高，但還有待進(jìn)一步提升以滿足各個(gè)行業(yè)的需求。

［1］Wohlers Associates Inc.Wohlers report 2012[R].2012.

［2］鄧超.沒長(zhǎng)大的3D打印[J].創(chuàng)業(yè)家,2012(12)：118-121.

［3］肖遙.從CES 2014展會(huì)看家用3D打印機(jī)的發(fā)展[J].知識(shí)就是力量,2014(04)：62-63.

［4］向順祿,楊冬東,何可,黃長(zhǎng)青,柏才敏.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用及畜牧獸醫(yī)領(lǐng)域的展望[J].獸醫(yī)向?qū)?2013(9)：72-74.

［5］3D打印外骨架幫助癱瘓用產(chǎn)再次行走[EB/OL].http：//art.china.cn/products,2014-03-26.

［6］蔡忠國(guó),王超,張若雷,章國(guó)金.一種新型LOM成型工藝3D打印設(shè)備簡(jiǎn)介[J].科技資訊,2013(15)：116.

［7］王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2012(26)：3-5.

［8］古麗萍.蓄勢(shì)待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展[J].數(shù)碼印刷,2011(10)：64-67.

［9］Library of Dalhousie University.3D printing[EB/OL].[2013-12-06].http：//libraries.dal.ca/locations_services/services/3d_printing.html.