3D打印技術(shù)應用簡介

王元楨

（內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河一中，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

3D打印技術(shù)是不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的新技術(shù)。傳統(tǒng)加工技術(shù)的主要思路是減材加工，而3D打印技術(shù)與之相反，其主要思路是增材加工。這個重要的技術(shù)最初起源于19世紀末的美國，但是由于技術(shù)限制一直沒有大的發(fā)展，直到上世紀80年代開始才得到大幅度的推廣和應用。3D打印技術(shù)傳入我國后，也受到廣大科研工作者的高度重視，在一些領(lǐng)域也取得了不小的成就。3D打印這種新技術(shù)具有多種優(yōu)點，例如節(jié)能節(jié)材，制造周期短，不受零件復雜程度限制，有效彌補傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足，對民生和科研各個領(lǐng)域的發(fā)展都起到了推動作用。本文將結(jié)合3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，介紹其在建筑，航空航天，醫(yī)藥領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀，并且分析3D打印技術(shù)存在的問題，指出未來3D打印技術(shù)的發(fā)展方向。

1 3D打印技術(shù)應用現(xiàn)狀

1.1 建筑領(lǐng)域

3D打印技術(shù)增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造理念，為建筑工程師們帶來了新思路，在建筑領(lǐng)域取得了不小的成就。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢包括以下兩個方面。

（1）消化建筑垃圾。傳統(tǒng)的建筑施工中需要用到很多材料，如水泥，沙子，鋼筋，混凝土等等，在建筑完成后會產(chǎn)生很多的建筑垃圾，且增速驚人。需采取有效方法變廢為寶，減少對環(huán)境的影響。3D打印技術(shù)可以有效緩解這一難題，它可以將建筑垃圾作為原料，就地取材，進行處理加工后利用，能夠極大地消化建筑垃圾，解決當前的問題。

（2）縮短工期。采用3D打印技術(shù)建造房屋，建筑工序一體化集成，不需要數(shù)量龐大的建筑工人，也不需要使用模板，提高了生產(chǎn)效率，縮短了工期。2014年間，一套1100平方米的別墅與1棟6層居民樓通過3D打印技術(shù)直接打印出來，整個過程是采用建筑垃圾作為打印“油墨”，通過超大型打印機直接層層疊加而成。3D打印建筑效率十分高，10幢小屋通過3D打印只需要一天的時間就可以完成。

1.2 航空航天領(lǐng)域

航空航天器件的質(zhì)量好壞以及制作精細程度直接影響未來的使用情況和人員的生命安全，其制造要求極為嚴苛。航空航天器件自身構(gòu)造和制造工序的復雜，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了很大的困難。3D打印技術(shù)可以有效地克服傳統(tǒng)工藝的弊端，簡化生產(chǎn)工序并有效降低成本。

（1）簡化生產(chǎn)工序。傳統(tǒng)減材制造方式需要利用刀具或磨具從大塊原材料中切割出小塊元件，過程繁瑣。3D打印技術(shù)卻是從小到大，不再使用刀具和磨具，能夠大幅度簡化生產(chǎn)工序。當前，西北大學的黃衛(wèi)東團隊能夠直接制造金屬零件從而對航空發(fā)動機葉片進行再造修復。北京航空航天大學王華明教授成功開發(fā)出飛機大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化成套裝備，并已制造出世界上最大的鈦合金非機主承力構(gòu)件。

（2）有效降低成本。航空航天器件上的有些零件很復雜，難以鍛造，3D打印技術(shù)跳過了傳統(tǒng)制造技術(shù)中鍛造和鑄造的過程，也彌補了鑄造中模具費昂貴的缺點。3D打印技術(shù)能夠如此大幅度的節(jié)省錢財和物力，未來在航空航天領(lǐng)域的前景十分可觀。

1.3 醫(yī)藥領(lǐng)域

3D打印技術(shù)自身所具備的精準度高，能夠減小制造復雜度的特點使它在醫(yī)療領(lǐng)域也得到關(guān)注，并在醫(yī)療模型制造、藥物生產(chǎn)等方面掀起了一場革命。

（1）制造器官模型。3D打印技術(shù)在醫(yī)學方面的直接應用是精確地打印各種病人的器官或組織模型。這樣既可以避免盲目分析，幫助醫(yī)生提升對病人病情的把握，又可以在手術(shù)前預先熟悉手術(shù)的操作步驟，更精確地確定病灶部位，提前確定手術(shù)的規(guī)劃，減小手術(shù)中突發(fā)性問題的風險率，以確保后期手術(shù)的成功。3D打印技術(shù)可以很好地幫助醫(yī)生預先解決手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)操作方面的問題，這讓它在醫(yī)藥領(lǐng)域備受青睞，目前已在外科，口腔科，新生兒科得到應用。

（2）打印活體器官。3D打印技術(shù)的另一應用便是直接打印患者所需的活體器官或組織，例如人的耳朵，肝臟單元，顱骨，脊柱，下頜骨等。近日，印度一家生物科技公司就開發(fā)出一個使用3D打印技術(shù)制作的活體肝臟組織。3D打印技術(shù)打印的活體組織還被用于新藥測試，能夠大大縮短新藥研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費用。

（3）打印藥物。由于3D打印技術(shù)精細度高，它也被應用到藥物生產(chǎn)。美國的Aprecia Pharmaceuticals公司開發(fā)出了3D打印的Spritam（化學名稱為左乙拉西坦，治療癲癇的藥物）。3D打印在藥物上的應用為醫(yī)藥學家開拓了新的制藥思路。

2 3D打印技術(shù)目前的問題

雖然3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛，但是目前仍不完善，存在不少的問題，在建筑領(lǐng)域存在的問題主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（1）3D打印機器價格昂貴。目前3D打印機市場價格最貴大約為80～90萬/臺，況且3D打印技術(shù)是增材制造，需要自下而上逐層打印。所以，如果打印的建筑高度越高所需要的3D打印機就要越大，這無疑又添加了一筆不小的成本，成為阻礙3D打印技術(shù)的一大因素。

（2）原材料性能不足。3D打印技術(shù)的原材料主要是建筑垃圾，其粘聚性，流動性和打印建筑的性能等方面還是與傳統(tǒng)材料有一定的差距。

（3）人們對3D打印技術(shù)的了解程度和信任問題。對于3D打印房的安全性、抗震性等性能的檢驗我國還沒有已經(jīng)成形或完善的相關(guān)標準，而且這些問題都不容忽視。消費者對3D打印技術(shù)認識不足，對3D打印建筑的質(zhì)量有所懷疑。所以，人們現(xiàn)在對3D打印建筑是觀望的態(tài)度，僅僅停留在參觀和好奇的階段。

3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的問題主要集中在以下兩個方面：一是工藝質(zhì)量不高。3D打印技術(shù)中的劇烈的加熱和冷卻過程給產(chǎn)品帶來了不穩(wěn)定的因素。產(chǎn)品中往往會出現(xiàn)孔洞、裂紋等瑕疵。3D打印產(chǎn)品的長期使用穩(wěn)定性難以得到保證，這為其在航空航天領(lǐng)域的大范圍推廣帶來了困難。二是軟件能力不足。3D打印技術(shù)需要強大的軟件規(guī)劃制造路徑，特別是對于航空航天領(lǐng)域所需要的復雜、精密的器件，更需要合理的制造布局。當前3D打印軟件只能進行簡單的設計，不能根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)及工藝要求生成合理的路徑策略。

3D打印技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的問題主要集中以下兩個方面：一是打印材料種類。生物支架與培養(yǎng)組織的相容程度決定了后期組織細胞的成活率。目前3D打印材質(zhì)種類較少，主要是常見的金屬，陶瓷，石膏，樹脂，塑料等。這造成了3D打印技術(shù)應用受到了限制。二是產(chǎn)品精度不足。生物支架要求產(chǎn)品精度達到近乎苛刻的條件，但是現(xiàn)在的3D打印精度及成型精度仍然較低，是其在醫(yī)藥領(lǐng)域應用的最大的瓶頸。

3 結(jié)語

目前，3D打印技術(shù)發(fā)展并不完善，仍有更大的提升空間，但它在縮短制造周期，節(jié)省生產(chǎn)成本，降低制造難度，保護生態(tài)環(huán)境等方面的積極作用不容忽視。3D打印技術(shù)在未來會大大改變我們的日常生活。雖然現(xiàn)階段仍存在一系列問題，但發(fā)現(xiàn)問題才能更好地解決問題，3D打印技術(shù)的發(fā)展前景廣闊。