淺析3D打印機(jī)的新進(jìn)展和新應(yīng)用

周理想+陳曉康+武山

摘 要：為了能夠更好地促進(jìn)信息的存儲(chǔ)、交流及傳播，3D打印技術(shù)正在不斷發(fā)展、革新，并且逐漸被人們所熟知。由于該技術(shù)具有將個(gè)體的設(shè)計(jì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物的特點(diǎn)，因此3D打印已經(jīng)被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，成就了人們的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力相結(jié)合的愿景，提高了社會(huì)生產(chǎn)力之余，也影響著人們的生活方式。文章以3D打印機(jī)的發(fā)展、原理、分類等方面為基礎(chǔ)，提供了有關(guān)3D打印在部分領(lǐng)域中的階段成果和新發(fā)展。其目的在于使讀者掌握有關(guān)3D打印技術(shù)的基本知識(shí)，培養(yǎng)對(duì)3D打印技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：3D打?。豢萍?；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0028-02

1 3D打印機(jī)的發(fā)展歷程

打印機(jī)是隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及而出現(xiàn)的一種辦公自動(dòng)化產(chǎn)品，它為信息的存儲(chǔ)及傳播提供了更加快捷方便的形式。發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了“針式打印機(jī)”、“噴墨打印機(jī)”、“激光打印機(jī)”、“熱升華打印機(jī)”、“熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)”等幾個(gè)重要階段。但這些都是二維平面上的語言文字或圖像的外化。隨著人類的生產(chǎn)、生活等各方面需求不斷加大，人們不斷探索著更為先進(jìn)的打印技術(shù)。

3D打印技術(shù)由美國(guó)人查爾斯·赫爾在上個(gè)世紀(jì)八十年代發(fā)明。他首次使用光固化的方式制作出了第一個(gè)實(shí)物；1986年，該技術(shù)獲得了專利，赫爾在加州成立了3DSystems公司，這是全球首家3D打印公司[1]。1988年，赫爾博士將他的光固化3D打印機(jī)正式推向市場(chǎng)，3D打印的概念也逐漸被外界了解。

3D打印技術(shù)又稱添加式制造或直接數(shù)字化制造。與傳統(tǒng)工業(yè)制造相比，它不像傳統(tǒng)制造機(jī)器那樣通過純手工或模具來制造產(chǎn)品，它是利用疊層制造技術(shù)來制作產(chǎn)品。其基本打印流程大致分為以下幾步：首先利用CAD等電腦軟件建好物品的三維模型，或者直接利用3D掃描儀得到物品的三維數(shù)據(jù)生成三維模型，接著將做好的模型翻譯成STL文件，然后將翻譯好的文件導(dǎo)入到CAM系統(tǒng)中進(jìn)行切片處理。再根據(jù)所使用的材料和該模型的打印指令建造原型。成型后還需打磨成品，使表面變得更光滑。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，從技術(shù)層面和使用的材料來看，3D打印主要有以下幾種分類。熔融沉積成型技術(shù)（FDM），一般使用熱塑性塑料，如聚乳酸和ABS樹脂；直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），該技術(shù)幾乎可以以任何金屬為原材料；電子束融化（EBM），主要以鈦合金為原材料；選擇性激光燒結(jié)（SLS），主要以金屬粉末和陶瓷粉末為制作原材料；選擇性熱燒結(jié)（SHS），該技術(shù)以熱塑性粉末為主；粉末層和噴頭3D打印機(jī)（3DP），原材料為石膏；分層實(shí)體制造（LOM），以金屬箔和塑料薄膜來制作產(chǎn)品；立體光刻（SLA），也稱光固化技術(shù)，其采用光致聚合的液體樹脂作為材料；數(shù)字光處理（DLP），其原理與DLP投影機(jī)的技術(shù)相同，制造過程與立體光刻（SLA）技術(shù)類似[1]。

2 3D打印機(jī)的應(yīng)用前景

3D打印憑借其操作性強(qiáng)，方便實(shí)用，節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造工藝的不足，隨著其原材料和打印技術(shù)的不斷革新，其應(yīng)用已經(jīng)不僅局限于醫(yī)療科技、航空航天等高科技領(lǐng)域，在日常生活、學(xué)校教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)能夠逐步看到3D打印的身影。從飛機(jī)衛(wèi)星的精密零件等尖端科技到日常生活中微不足道的哨子，可能都需要用到3D打印技術(shù)。3D打印滲透到各行各業(yè)著實(shí)給人們的生活帶來了巨大的便利。

2.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

骨創(chuàng)傷是骨質(zhì)發(fā)生病變的一種疾病。將3D生物打印技術(shù)運(yùn)用到骨創(chuàng)傷領(lǐng)域，可大大提高手術(shù)成功率[2]。在心腦血管研究與應(yīng)用方面，3D打印可以協(xié)助醫(yī)療人員快速了解病人病情[3]。

目前，3D打印在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，主要應(yīng)用還是在牙齒、假肢等功能相對(duì)簡(jiǎn)單的器官，一些功能相對(duì)復(fù)雜的器官如腎臟、心臟等還處在研究階段。如今，器官短缺成為一個(gè)亟待解決的難題，而器官移植的費(fèi)用又非常昂貴。利用3D打印可以根據(jù)具體病情來為患者打印器官，治療他們的疾病。相信隨著科技的進(jìn)步，3D打印在人造器官等醫(yī)療方面能夠起到越來越不可忽視的作用。

2.2 航空航天領(lǐng)域

與傳統(tǒng)制造業(yè)的大規(guī)模、低精度相比，3D打印技術(shù)更適合應(yīng)用于對(duì)零部件要求比較高的領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域。2015年，我國(guó)成功研制出首臺(tái)航天多激光金屬3D打印機(jī)[4]，用于衛(wèi)星或飛機(jī)等精密零件的制造。經(jīng)過測(cè)試，這些3D打印的零件性能滿足要求。2016年，中科院成功研制中國(guó)首臺(tái)空間3D打印機(jī)，并且完成了拋物線失重飛行試驗(yàn)[5]。美國(guó)也致力于將3D打印運(yùn)用到無人機(jī)和飛行器的產(chǎn)品升級(jí)中[6]。

作為衡量本國(guó)綜合國(guó)力的標(biāo)準(zhǔn)之一，各國(guó)都在航空航天領(lǐng)域積極探索和發(fā)展。將3D打印機(jī)送上太空，可用作打印維修工具等用途，這樣可減少飛船的承重，降低運(yùn)輸成本；對(duì)宇航員來說，用3D打印來打印一些難以維修的精密零件，也可降低維修飛船的難度。

2.3 生活領(lǐng)域

傳統(tǒng)制造業(yè)可以大批量地生產(chǎn)任何人們想要的產(chǎn)品。但這些看起來千篇一律的產(chǎn)品無法滿足人們的個(gè)性化需求。食品方面，3D食物打印機(jī)原理和其他打印機(jī)類似，最主要的是原材料的種類不同[7]。西班牙的一家公司推出全球首款3D食物打印機(jī)，這款食物打印機(jī)可以“打印”出甜品、漢堡等。2015年在美國(guó)舉行的消費(fèi)電子展上，打印機(jī)公司3D Systems和好時(shí)食品公司推出了3D巧克力打印機(jī)，它可以將巧克力碎片制作成任意精美的造型。兒童成長(zhǎng)方面，相關(guān)科研人員推出了適合在兒童群體中寓教于樂的3D打印機(jī)，用于打印一些動(dòng)物、玩偶等[8]。

3D打印食品材料簡(jiǎn)易、制作簡(jiǎn)單，可根據(jù)用戶要求進(jìn)行定制，具有個(gè)性化；對(duì)于一些特殊群體，如老年人牙齒不健全，不能吃堅(jiān)硬的東西，利用3D打印可將原材料的比例進(jìn)行調(diào)配，將原本堅(jiān)硬的成品制作成口感稍軟的，有利于老年人的吞咽。

2.4 教育教學(xué)領(lǐng)域endprint

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式很難引起學(xué)生對(duì)所學(xué)事物的直觀上的認(rèn)識(shí)，特別是一些工科學(xué)科。另一方面，學(xué)生的想象力強(qiáng)、創(chuàng)造力強(qiáng)，3D打印可以將他們腦海中新奇的想法直接轉(zhuǎn)換為三維世界中的實(shí)物。因此，將3D打印用于改進(jìn)這類課程的教學(xué)方法顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始研究如何把3D打印運(yùn)用在教育領(lǐng)域，來培養(yǎng)具有基礎(chǔ)理論扎實(shí)，動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生。英國(guó)教育部在2012年開展了課程教學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)，為一些學(xué)校提供了普及3D打印知識(shí)的技術(shù)人才。美國(guó)開展了MENTOR項(xiàng)目計(jì)劃，目的是在本土普及3D打印技術(shù)。在學(xué)校用于課堂演示，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)事物的具體了解，提高他們的學(xué)習(xí)興趣[9]。2014年，浙江省向省內(nèi)部分中小學(xué)校捐贈(zèng)3D打印機(jī)。同時(shí)將與部分學(xué)校合作建立3D打印教育基地，建立3D打印課堂。旨在推廣省內(nèi)中小學(xué)生對(duì)前沿技術(shù)的了解，同時(shí)激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)。

3 結(jié)束語

文章結(jié)合3D打印機(jī)的發(fā)展歷程及基本原理，敘述了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、生活領(lǐng)域和教育教學(xué)領(lǐng)域的階段成果。將3D打印運(yùn)用到各行各業(yè)，將有利于成本的降低和提高材料的使用率。誠然我們看到3D打印有著傳統(tǒng)制造業(yè)不可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是目前這種技術(shù)處于初級(jí)發(fā)展階段，仍然有著一些技術(shù)不足，如需要打印的模型建立有難度，容易出現(xiàn)模型和打印成品不一致的情況，另外打印機(jī)的材料之昂貴也是一個(gè)不容忽視的問題。但3D打印體現(xiàn)出的快捷性、個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)伴隨其打印技術(shù)的不斷進(jìn)步和原材料的不斷革新，會(huì)被應(yīng)用于更多領(lǐng)域中去，給人類帶來更多的便利。

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