3D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用述評(píng)

鄭金庫++梁起瑞++周浩++謝啟強(qiáng)++馬建軍++吳金卓

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0001-03

摘 要：作為一種快速成型的先進(jìn)制造技術(shù)，近年來，3D打印技術(shù)得到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。基于國內(nèi)外有關(guān)3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用，介紹了3D打印技術(shù)的定義，分析了3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，并分別從國內(nèi)外不同領(lǐng)域總結(jié)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用情況，最后指出了我國在3D打印技術(shù)方面的發(fā)展?jié)摿?，并提出了相?yīng)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：3D打??；材料類型；打印過程；技術(shù)優(yōu)勢

中圖分類號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.001

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的使用需求，于是，開始尋求一種新型的制造方法。3D打印技術(shù)便在此背景下應(yīng)運(yùn)而生了。人們基于傳統(tǒng)的二維打印技術(shù)，大膽創(chuàng)新，將二維打印技術(shù)擴(kuò)展到三維領(lǐng)域，將噴墨式打印機(jī)平面化的圖案、文字采用原材料逐層堆疊的方式生產(chǎn)出三維立體實(shí)物。近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)引起很多國家的重視，它頻繁地出現(xiàn)在各大主流媒體中。3D打印技術(shù)被稱為全球第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，它對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)方式產(chǎn)生了巨大的影響。本文在分析3D打印技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了其在國內(nèi)外不同行業(yè)的應(yīng)用情況和發(fā)展前景，并為我國3D打印行業(yè)的發(fā)展提出了相關(guān)建議。

1 3D打印技術(shù)

1.1 概述

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，它是一種快速成型的先進(jìn)制造技術(shù)。由于其制造特點(diǎn)，它又被稱為“增材制造技術(shù)”。其原理可以概括為逐層打印和層層堆疊。實(shí)現(xiàn)3D打印的方法有很多，比如熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、直接金屬激光燒結(jié)（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、石膏3D打?。≒owder Bed and Inkjet Head 3D Printing）、分層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、數(shù)字光處理（Digital Light Processing， DLP）等，具體如表1所示。其中，最常見的是熔融沉積式（Fused Deposition Modeling）。材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要結(jié)合制造方法的特點(diǎn)來選擇合適的打印材料。目前，可以用于3D打印的材料主要有五大類，分別是工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料。

1.2 3D打印的過程

3D打印主要包括4個(gè)環(huán)節(jié)，即三維建模、模型分層、逐層打印和后期處理。

1.2.1 三維建模

使用AutoCAD等三維繪圖軟件為打印對(duì)象的三維數(shù)據(jù)建立模型，或者可以利用一些專業(yè)的3D掃描儀掃描所要獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以數(shù)字化的方式導(dǎo)入計(jì)算機(jī)內(nèi)生成虛擬模型。

1.2.2 模型分層

3D打印機(jī)無法直接讀取3D模型數(shù)據(jù)的命令，所以，需要依靠與打印機(jī)相適配的專業(yè)軟件將輸入的3D數(shù)據(jù)模型在Z方向上分成若干薄層。薄層的厚度由打印機(jī)的種類和特性決定。

1.2.3 逐層打印

根據(jù)分層后的模型，3D打印機(jī)將準(zhǔn)備好的原材料均勻地涂抹在X-Y平面內(nèi)，材料黏結(jié)成截面的形狀，然后在該層截面上涂抹下一層，如此往復(fù)。

1.2.4 后期處理

因?yàn)槟Ｐ褪侵饘哟蛴〉?，現(xiàn)有的3D打印機(jī)并未達(dá)到10 um的精度，所以，模型的表面比較粗糙，甚至?xí)忻獭４蛴〕龅哪Ｐ屯枰?jīng)過后期處理，在模型表面打磨、修整、上色，最后形成成品。

2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 3D打印的優(yōu)勢

2.1.1 節(jié)約材料

工業(yè)上，傳統(tǒng)的材料加工方法實(shí)際上是一個(gè)去除材料的過程，材料利用率不高，存在資源浪費(fèi)的情況。而3D打印恰好相反，它是根據(jù)已知的三維數(shù)據(jù)，通過3D打印機(jī)逐層打印，增材制造。這樣既免除了制造模具的過程，提高了材料的利用率，又避免了復(fù)雜的鍛造工藝，達(dá)到了優(yōu)化生產(chǎn)工序、節(jié)省材料和能源的目的。

2.1.2 降低生產(chǎn)成本

與傳統(tǒng)制造工藝不同，3D打印技術(shù)不需要各種機(jī)械加工或模具，只有一個(gè)生產(chǎn)工序，即通過已知的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)打印制造。這極大地簡化了生產(chǎn)工藝，摒棄了傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，縮小了車間設(shè)備的占地面積，減少了能源的使用，最終達(dá)到降低成本的目的。

2.1.3 可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)

對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，傳統(tǒng)的制造方法程序繁雜，不易制造。而對(duì)于3D打印而言，將要打印的物體的三維數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中，無論其模型結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，都可以輕松地制造出模型，使設(shè)計(jì)想法不再受有限的制造能力的禁錮。

2.1.4 直接制造

3D打印技術(shù)是將設(shè)計(jì)好的模型三維數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為SLT的格式輸入到打印機(jī)中，打印機(jī)接收到數(shù)據(jù)指令后就會(huì)將預(yù)備好的原材料逐層涂抹，直接堆疊出設(shè)計(jì)模型。它不需要其他傳統(tǒng)的各種專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或事先制備模具等，極大地縮短了生產(chǎn)對(duì)象的研制和加工周期。

2.2 3D打印的不足之處

2.2.1 打印材料單一

打印材料一直是阻礙3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要問題。盡管目前已經(jīng)開發(fā)出多種可以利用的3D打印材料，但是，它們還不能滿足某些特定的物品屬性，仍需不斷研發(fā)。另外，一些材料的3D打印技術(shù)還不夠成熟，比如金屬材料打印。由于其熔點(diǎn)高，涉及固液相變等多個(gè)物理過程，所以，在打印時(shí)，存在穩(wěn)定性不足的問題。

2.2.2 精度有待提高

目前，市場上3D打印機(jī)的分辨率能夠達(dá)到600 dpi。即使是普通的3D打印機(jī)，其精度基本上控制在0.3 mm以下，打印厚度只有0.01 mm。這個(gè)精度已經(jīng)能夠滿足普通打印對(duì)象的要求，但是，對(duì)于一些非常精密的特殊打印產(chǎn)品還是不夠的，例如照相機(jī)的鏡頭。

2.2.3 效率比較低

在目前的科技水平下，3D垂直打印速率能夠達(dá)到25 mm/h的厚度，實(shí)現(xiàn)24位色彩的彩色打印。對(duì)于單一物體的打印，這樣的速度差強(qiáng)人意，距離實(shí)現(xiàn)快速批量生產(chǎn)的目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在此需要注意的是，提高打印精度與提高打印效率二者是矛盾的。而如何同時(shí)提高這兩者是下一步需要解決的問題。

2.2.4 造價(jià)居高不下

3D打印機(jī)的制造成本與其打印精度密切相關(guān)。打印機(jī)的精度越高，造價(jià)就越高。市場上3D Systems的高精度3D打印機(jī)要90萬元，即使桌面級(jí)3D打印機(jī)也要幾千元。如何讓3D打印機(jī)走進(jìn)千家萬戶，降低打印機(jī)的造價(jià)也是日后需要解決的問題之一。

3 3D打印技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用研究

3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于國內(nèi)外的諸多行業(yè)中都，包括生物醫(yī)療、食品加工、航空航天、土木建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等。只要能夠提供物品的三維模型，就可以三維打印任何物品。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

3.1 生物醫(yī)療領(lǐng)域

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要。3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用包括醫(yī)用模型制作、臨床手術(shù)、組織器官修復(fù)和研制新型藥物。目前，在醫(yī)療教育的過程中，使用的醫(yī)用模型制作工序繁雜且耗時(shí)長，制作原料以石膏為主，所以，在使用過程中容易被損壞。而經(jīng)過3D打印制作的醫(yī)用模型可以選擇多種不同的材料，可以較好地解決這個(gè)問題。同時(shí)，對(duì)于一些特殊模型，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)也可以快速制作出來。在臨床醫(yī)學(xué)外科手術(shù)中，醫(yī)生可以利用CT掃描患者的手術(shù)部位，將掃描后的三維數(shù)據(jù)通過3D打印機(jī)將患者手術(shù)部位打印出來，使醫(yī)生更直觀、細(xì)微地觀察患者病灶的結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)效率和成功率。我國東北林業(yè)大學(xué)三維數(shù)字化技術(shù)研究所已與哈爾濱市醫(yī)大一院、二院等多家大型醫(yī)院合作，利用3D打印技術(shù)聯(lián)手開啟醫(yī)療新時(shí)代，讓醫(yī)生可以在術(shù)前模擬切割，使手術(shù)過程更加順利。另外，3D打印技術(shù)也為器官移植開啟了新思路。3D打印技術(shù)將人們熟知的塑料、樹脂等原材料更換成生物相容性細(xì)胞、信號(hào)分子、支架材料、生長因子等“生化材料”，通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好組織器官的打印程序，經(jīng)特殊的打印機(jī)制作出相應(yīng)的人體器官，緩解了器官來源短缺的壓力。現(xiàn)有的技術(shù)力量已經(jīng)能夠打印出骨骼、血管、肝臟等組織，但還無法打印出具有真正生理功能的復(fù)雜器官。

3.2 食品領(lǐng)域

2011-07，英國研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。這意味著3D打印技術(shù)可以在不久的將來改變?nèi)藗冎谱魇称返膫鹘y(tǒng)方式。對(duì)于發(fā)展中國家甚至發(fā)達(dá)國家，保證飲食的健康性、科學(xué)性和合理性是當(dāng)前急需解決的問題。胡迪·利普森等認(rèn)為，利用3D食品打印技術(shù)未來可以實(shí)現(xiàn)自身量化飲食，比如糖尿病患者可以上傳血糖數(shù)據(jù)，然后用軟件計(jì)算出下一餐的營養(yǎng)均衡食譜，并將食譜發(fā)送給廚房里的3D食品打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)合理飲食，再也不必?fù)?dān)心飲食不合理引發(fā)的健康問題。

在太空中時(shí)，宇航員食品的營養(yǎng)健康以及如何延長保質(zhì)期的問題可能會(huì)因3D打印機(jī)的出現(xiàn)而被解決。宇航員在太空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，在飛船艙內(nèi)固定一臺(tái)食品3D打印機(jī)，事先儲(chǔ)備好蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)、維生素、水和膳食纖維等營養(yǎng)成分。這樣原材料的保質(zhì)期很長，宇航員可以隨時(shí)打印所需的新鮮美味食物，避免了食物浪費(fèi)，同時(shí)，設(shè)備小巧，占地少。

如今的3D打印技術(shù)能夠打印出30多種不同的食物，主要分為六大類，即糖果、烘焙食品、零食、果蔬產(chǎn)品、肉制品和奶制品。由于這種新奇的食品制作方式還不為人們所認(rèn)可，因此，3D打印食品行業(yè)的發(fā)展仍然面臨許多問題。但是，可以肯定的是，3D打印與飲食的結(jié)合必將改變?nèi)藗儗?duì)加工食品的看法，傳統(tǒng)的餐飲業(yè)也將被顛覆。

3.3 航空航天領(lǐng)域

近幾年，許多國家將3D打印技術(shù)應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，制造出了高精密的零部件，部分飛機(jī)制造公司已經(jīng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制造中，特別是一些形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精度零件。據(jù)悉，著名飛機(jī)制造商波音公司正致力于打印體積比較大的部件的研究。2001年，Aero Met公司制造了一批適用于殲擊機(jī)的鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)到折疊接頭、翼梁等構(gòu)件，并于2002年成功地完成了激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在某些戰(zhàn)斗機(jī)上的安裝試用和飛行考研，還制定出了專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（AMS4999）。該零件滿足疲勞壽命4倍的要求，靜力加載到225%也未被破壞。2015年初，全球知名航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商GE公司研發(fā)出了首款采用3D打印技術(shù)制造的飛機(jī)引擎零件——T25壓縮機(jī)入口溫度傳感器外殼，并順利通過了美國聯(lián)邦航空局FAA的認(rèn)證。該零件的打印材料為鈷鉻合金的微細(xì)粉末，具有質(zhì)量輕和堅(jiān)固的特點(diǎn)。由此可以看出，越來越多的3D打印技術(shù)被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中，解決了一些現(xiàn)存的難題。它的出現(xiàn)對(duì)這一領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

3.4 土木建筑領(lǐng)域

隨著3D打印技術(shù)的日臻完善，人們不再只局限于小型物品，開始嘗試體積大的實(shí)體打印。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標(biāo)號(hào)水泥、建筑垃圾和玻璃纖維等。打印房屋的工程巨大，在實(shí)施過程中還存在許多的問題。一個(gè)巨型3D打印設(shè)備需要與計(jì)算機(jī)相連，按照事先設(shè)計(jì)好的房屋三維圖形，噴嘴會(huì)噴出某種黏合物與建筑材料沙子、石灰等鑄成石質(zhì)固體，每層的打印厚度在10 mm左右。正因其獨(dú)特的制造方法，傳統(tǒng)的建筑材料無法滿足3D打印建筑技術(shù)的需求，所以，需要研發(fā)新型的建筑材料，其組成成分和加工方式都需要改進(jìn)。目前，輪廓工藝、D Shape、打印混凝土作為三大增材制造工藝，在公共領(lǐng)域尤其是建筑領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景。其中，輪廓工藝是指將原材料混凝土通過一個(gè)大型噴嘴依照計(jì)算機(jī)中建筑設(shè)計(jì)圖的位置命令一層層地噴涂，形成建筑的墻體結(jié)構(gòu)。當(dāng)墻體達(dá)到預(yù)定的高度后，可將屋頂?shù)踔迷趬w上?！拜喞に嚒?D打印技術(shù)是由美國宇航局與當(dāng)?shù)氐哪霞又荽髮W(xué)共同研究的，在短時(shí)間內(nèi)就可以打印出大約200 m2的房屋。這項(xiàng)技術(shù)不僅節(jié)約了建造時(shí)間和成本，也為綠色制造打開了一扇大門。目前，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟，多數(shù)科研團(tuán)隊(duì)的研究還局限于建筑設(shè)計(jì)，距離真正的3D打印房屋還有一段距離，有許多問題需要解決。比如，3D打印建筑材料、打印的房屋抗壓性、強(qiáng)度等還有待考察?？偟膩碚f，3D打印建造技術(shù)能節(jié)省材料，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低勞動(dòng)成本，具有很好的市場前景，符合國家可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的要求。

4 3D打印技術(shù)展望

4.1 國內(nèi)3D打印技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國各大高校、企業(yè)已紛紛踏入3D打印行業(yè)。我國早期研究3D打印技術(shù)的清華大學(xué)經(jīng)過幾年的鉆研，已經(jīng)在激打印、成型技術(shù)、打印材料及其應(yīng)用方面取得了可喜的成績。

北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校也在不同的快速成型技術(shù)研究中取得了不錯(cuò)的成績。與此同時(shí)，內(nèi)地的一些企業(yè)發(fā)現(xiàn)了3D打印行業(yè)的發(fā)展前景及其潛力，正在全力推動(dòng)3D打印機(jī)的推廣和銷售，例如深圳維示泰克、南京紫金立德等企業(yè)。然而，這些企業(yè)的規(guī)模不大，多采用一些國外的技術(shù)，其產(chǎn)品性能還無法與國外3D System等公司的產(chǎn)品相媲美。高校有最新的技術(shù)力量，企業(yè)有著完善的運(yùn)作系統(tǒng)，因此，國內(nèi)高校與企業(yè)之間合作也是比較常見的。經(jīng)過幾年的發(fā)展，在國家政策的大力扶持下，我國的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)取得了一定的成就。雖然與歐美的一些國家相比有一定的差距，但是，以此發(fā)展速度看，在不久的將來，我國的3D打印技術(shù)也將進(jìn)入世界前列，在這個(gè)過程中也必將面臨很多困難和阻礙。

4.2 關(guān)于3D打印的發(fā)展建議

4.2.1 加大扶持力度

我國3D打印技術(shù)仍處在發(fā)展階段，許多技術(shù)性的問題還有待解決。為了使3D打印技術(shù)更加完善，國家需要繼續(xù)加大對(duì)3D產(chǎn)業(yè)的扶持力度，投入資金研發(fā)新型的打印設(shè)備，在現(xiàn)有的3D打印機(jī)基礎(chǔ)上，大幅提高打印的精度和效率，繼續(xù)開發(fā)多樣化的打印材料，整合多類3D打印軟件，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，進(jìn)而提高其響應(yīng)速度。

4.2.2 促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的形成

我國的3D打印產(chǎn)業(yè)還不成熟，國家有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有市場進(jìn)行監(jiān)督和保護(hù)，盡早整合，統(tǒng)一規(guī)劃，及時(shí)拓展3D打印技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用，盡快打開市場，加大推廣力度。利用互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到信息的快速交互，將制造商、市場和客戶緊密聯(lián)系到一起，形成一條嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓?yīng)鏈，設(shè)計(jì)者也能通過互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到遠(yuǎn)程在線制造的目的，從而促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

4.2.3 制訂關(guān)于3D打印的法律法規(guī)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)不僅改變了資本和工作的分配模式，還令現(xiàn)今的知識(shí)產(chǎn)權(quán)出現(xiàn)了“灰色地帶”。3D打印只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一部打印設(shè)備即可完成，人們只要有相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)就可以隨意打印，現(xiàn)在還沒有相關(guān)完善的法律法規(guī)對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)范化的限制，可能會(huì)無法保護(hù)研發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，出現(xiàn)市場混亂的情況。因此，需要為國內(nèi)3D打印市場的發(fā)展制訂相應(yīng)的法律法規(guī)，使3D打印行業(yè)以健康蓬勃的姿態(tài)持續(xù)性發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文在介紹現(xiàn)今應(yīng)用比較廣泛的3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，深刻剖析了國內(nèi)外3D打印技術(shù)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上的研究進(jìn)展，并指出了我國在發(fā)展3D打印技術(shù)方面存在的不足。自3D打印技術(shù)出現(xiàn)以來，受到了多個(gè)國家的廣泛關(guān)注，而且也在不斷發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)制造方法的發(fā)展有巨大的影響，同時(shí)，也為現(xiàn)今其他行業(yè)中存在的問題提供了一種新的解決思路和方法。因此，各個(gè)國家都在大力發(fā)展3D打印技術(shù)，相信在未來的幾年里，3D打印技術(shù)會(huì)更加貼近人們的生活，成為社會(huì)發(fā)展的新航標(biāo)。

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作者簡介：鄭金庫（1994—），男，黑龍江哈爾濱人，本科生，

主要從事物流工程方面的研究。吳金卓，女，副教授，博士，主要從事森林工程、物流工程等方面的研究。

〔編輯：白潔〕