3D打印技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展探究

商明慧　于帆帆

摘要：印刷和打印技術(shù)作為信息傳播的重要方式，以平面圖文信息的形式，為人類的文明和進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。3D（三維）打印技術(shù)是在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過逐層二維打印的疊加，在三維立體空間內(nèi)制造出產(chǎn)品。本文主要講述3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，探索限制3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸及其未來發(fā)展趨勢。

Abstract： Printing technology is an important way of information transmission. It made an important contribution for human civilization and progress by the plane graphic information. Based on traditional two-dimensional graphic printing technology， 3D （three dimensional） printing technology is superposed by the 2D printing and producted in three-dimensional space. This article mainly expounds the application of 3D printing technology in all fields， explores the bottleneck of the development of 3D printing technology and its development trend in the future.

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；印刷技術(shù)；發(fā)展前景

Key words： 3D printing technology；printing technology；development prospect

中圖分類號：TS805 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0166-02

0 引言

近年來，我們經(jīng)常會看到有關(guān)于3D打印技術(shù)的新聞，“3D打印房屋”、“3D打印金屬手槍”、“3D打印自行車”、“3D打印仿生耳”等等，3D打印自問世以來就得到了廣泛的關(guān)注，其應(yīng)用更是跨越各個(gè)領(lǐng)域。2014年11月末，《時(shí)代》周刊將3D打印技術(shù)列為2014年25項(xiàng)年度最佳發(fā)明之一。全球工業(yè)分析公司（Global Industry Analysis Inc）的研究報(bào)告預(yù)測2018年全球3D打印市場將達(dá)到29.9億美元。但3D打印技術(shù)也面臨著如制造速度與精度、設(shè)備和材料成本、產(chǎn)品性能、操作的安全性等多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)。提升3D打印的效率和精度，開發(fā)更為多樣的3D打印材料是未來的研究熱點(diǎn)。本文主要對3D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和探討。

1 何為3D打印

3D打?。═hree Dimensional Printing）始于上世紀(jì)90年代，是快速成型技術(shù)的一種。美國3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印設(shè)備。在傳統(tǒng)二維平面印刷打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過逐層二維打印的迭加，利用噴頭的三維運(yùn)動實(shí)現(xiàn)曲面打印，逐層增加材料來生成三維實(shí)體，其原理圖如圖1所示。其分層加工的過程與傳統(tǒng)噴墨打印十分相似，樹脂、尼龍、塑料、金屬、陶瓷、混凝土等材料經(jīng)過特殊處理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備。它是集機(jī)械、控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計(jì)與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)支持多種材料，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、家具、航天、醫(yī)療和教育等各個(gè)領(lǐng)域，其主要具有以下應(yīng)用特點(diǎn)：

2.1 模具加工與機(jī)械制造 如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械模具的設(shè)計(jì)與加工，如圖2A所示。相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說，3D打印技術(shù)不需要任何模具或任何機(jī)械加工，既省工又省料，如美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)在制造過程中會大量使用鈦合金構(gòu)件，如使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法，最大的鈦合金整體加強(qiáng)框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，幾乎不產(chǎn)生廢料，大大節(jié)省了原材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。此外，也可利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性生產(chǎn)，滿足人們的少量和復(fù)雜形狀的個(gè)性化需求。如個(gè)性化藝術(shù)家具的定制和專屬個(gè)性空間的打造（如圖2B）。

在建筑行業(yè)，2014年8月，在上海青浦張江高新園區(qū)，盈創(chuàng)建筑科技有限公司用3D打印技術(shù)24小時(shí)打印了10棟房屋（如圖2C、2D）并交付使用，相關(guān)建筑指標(biāo)均達(dá)到國家建筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，開啟了3D打印建筑的新篇章，將來更有望使用3D打印技術(shù)建造整棟別墅。

在航天方面，美國NASA以及國外的一些航天公司已經(jīng)就3D打印技術(shù)在航天上的應(yīng)用展開了嘗試，2014年第一臺3D打印機(jī)在國際空間站上安裝成功，并打印出扳手等機(jī)械部件，這臺打印機(jī)由Made in Space公司設(shè)計(jì)制作，該公司是世界首家研究零重力下3D打印技術(shù)的公司。而且3D打印為按需施材，減少了材料的浪費(fèi)，從而降低了生產(chǎn)成本。

2.2 生物醫(yī)療 3D打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合堪稱醫(yī)學(xué)史上的創(chuàng)造性舉動。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已開始被應(yīng)用于手術(shù)分析策劃、假體植入物的制造、細(xì)胞或組織打印等方面。

早在2011年，德國科學(xué)家利用3D打印技術(shù)成功研制出了一種人工血管（如圖3A），該項(xiàng)目有望被用于人體試驗(yàn)和藥物試驗(yàn)。2014年，University College London的研究人員利用生物“墨水”打印出人造耳朵（如圖3B），可用于外科整形。目前這種3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省腦科醫(yī)院利用3D打印顱骨為腦積水患兒縮腦，完成全球首例“全腦縮小塑形”手術(shù)。

2.3 考古文物復(fù)制 3D打印技術(shù)在考古文物領(lǐng)域主要用于修復(fù)已經(jīng)破損的古文物。在應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)時(shí)，需要使用3D掃描儀掃描破損文物，完成數(shù)據(jù)采集，并處理數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的模型之后進(jìn)行打印。在電影《十二生肖》中，先是對獸首進(jìn)行三維掃描，再使用3D打印技術(shù)打印了獸首的復(fù)制模型，精度和相似度令人贊嘆，且不需后期加工打磨，相信在不久的將來，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展改進(jìn)，3D打印技術(shù)復(fù)制文物的精度定會上升到這個(gè)高度，將不再需要后期處理。

2.4 教育行業(yè) 3D打印技術(shù)也為教育的發(fā)展開啟了新的方向，許多教育機(jī)構(gòu)和組織正探索如何將3D技術(shù)應(yīng)用到教育、教學(xué)中。以高職教育為例，在高職院校中印刷技術(shù)專業(yè)、數(shù)碼印刷專業(yè)、印刷圖文信息處理以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)都可以考慮引入3D打印技術(shù)。

相關(guān)專業(yè)引入3D打印技術(shù)后，可以將人才培養(yǎng)的目標(biāo)范圍進(jìn)行延伸和擴(kuò)大。培養(yǎng)不僅能從事傳統(tǒng)印刷設(shè)備和數(shù)碼印刷設(shè)備的操作，還能使用3D打印機(jī)；不僅能完成傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印前制作，還能從事3D打印需要的三維建模設(shè)計(jì)；不僅能從事傳統(tǒng)印刷和數(shù)碼印刷的印刷工藝與生產(chǎn)管理、印刷營銷與業(yè)務(wù)管理，還能從事3D打印設(shè)備的控制和生產(chǎn)管理、營銷和業(yè)務(wù)管理的人才。學(xué)生就業(yè)面更寬廣，職業(yè)技能更新，更貼合社會發(fā)展需要，也必定會推動3D打印設(shè)備的發(fā)展。另外，3D打印技術(shù)可以作為扶持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一個(gè)項(xiàng)目，支持大學(xué)生們早日實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)的夢想，讓剛剛走出校園的甚至還在校內(nèi)的大學(xué)生們勇敢地站在科技發(fā)展的前沿，直觀地感受打印技術(shù)帶來的影響與進(jìn)步。

3 3D打印技術(shù)未來發(fā)展前景分析

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢。美國總統(tǒng)奧巴馬在2014年國情咨文的演講中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，賦予其制造業(yè)復(fù)興的重任，提出將推動3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國家，3D打印機(jī)的研究技術(shù)已走向成熟并產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來，隨著2015年《中國制造2025》規(guī)劃的實(shí)施與頒布，我國對這項(xiàng)技術(shù)的重視和產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃將進(jìn)一步加強(qiáng)。

從中長期看來3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是設(shè)備和耗材方面，現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴，打印耗材的價(jià)格每公斤幾百到數(shù)萬元不等，給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物、石膏等材料，成型品的物理特性較差，金屬材料直接成型技術(shù)有待發(fā)展。三是工藝方面，目前3D打印的精度及效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求。四是知識產(chǎn)權(quán)方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險(xiǎn)大增，如何針對3D打印技術(shù)進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)面臨新的挑戰(zhàn)。五是公共安全方面，如3D打印手槍，若可從網(wǎng)絡(luò)上下載手槍的三維圖紙，再擁有一臺3D打印機(jī)就可以打印并組裝手槍，這一潛在問題需要國家從法律層面進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)督。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，越來越受到工業(yè)界和投資界的關(guān)注。偉大發(fā)明所能帶來的影響，在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代都是難以預(yù)測的，1450年的印刷術(shù)如此，1969年的互聯(lián)網(wǎng)也是如此，3D打印技術(shù)更是如此。未來3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化等主要趨勢。隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，制約3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸將一一得到解決。3D打印技術(shù)也將被推向更高的應(yīng)用層面。

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