淺談3D打印及其未來(lái)

何天佑

摘要：很難想象活在一個(gè)3D打印的世界是一種什么樣的體驗(yàn)吧？本文就來(lái)探討一下3D 打印作為一門(mén)技術(shù)它的應(yīng)用以及它的現(xiàn)在和未來(lái)。3D打印的原理是什么？與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比它的優(yōu)勢(shì)在哪里？ 3D打印作為一個(gè)飛速發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)業(yè)所其面臨的問(wèn)題究竟有哪些呢？本文將會(huì)基于個(gè)人見(jiàn)解做出基本分析。

關(guān)鍵詞：3D打印；原理；發(fā)展；材料

一、3D打印的概念及原理

3D打印首先來(lái)說(shuō)是一門(mén)技術(shù)，3D打印又稱三維打印，它是以電腦中所預(yù)先設(shè)計(jì)出來(lái)的數(shù)據(jù)模型為藍(lán)圖和基礎(chǔ)，運(yùn)用逐層打印方式，將塑料或者粉末金屬一些列粘合材料通過(guò)激光束、熱熔嘴等技術(shù)將物體快速構(gòu)造成型的一種技術(shù)。

SLS工藝原理圖

三維，我們可以理解成坐標(biāo)軸的三個(gè)軸。例如我們手上有一堆書(shū)，將所有的書(shū)平鋪在一張桌面上，這時(shí)展現(xiàn)在我們面前的可以看做為一個(gè)二維平面；如果將所有書(shū)豎直堆成一個(gè)柱子，那么這個(gè)柱子就可以被看做一個(gè)三維物體。所以三維與二維的最主要區(qū)別就是：一個(gè)是立體的，一個(gè)是平面上的。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印是一種增材制造技術(shù)（一層層增加材料），將打印材料一層層疊加起來(lái)，最終將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的3D圖紙打印為實(shí)物。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)（車(chē)、刨、鉆、磨）相比，它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省材料成本和材料加工時(shí)間，使制造精細(xì)的物品更加容易。

二、3D打印的現(xiàn)狀及未來(lái)

目前而言，3D打印技術(shù)在很多國(guó)家都被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此而引起了全世界的廣泛關(guān)注。就我國(guó)的現(xiàn)狀來(lái)看，發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以提升工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平、增強(qiáng)工業(yè)設(shè)計(jì)能力；有助于攻克各種難以攻克的技術(shù)難關(guān)；同時(shí)形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，從而進(jìn)一步促進(jìn)就業(yè)。

三、3D打印與生活

時(shí)下3D打印這個(gè)詞在我們的日常生活當(dāng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)外媒體的新聞資訊中，也大量對(duì)也對(duì)3D打印進(jìn)行大量的報(bào)道。例如3D打印經(jīng)常出現(xiàn)在科幻電影的情節(jié)里面，現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的3D打印房子，3D打印汽車(chē)，還有3D打印服飾，3D打印器官等。

近年來(lái)，3D打印正以驚人的速度向我們?nèi)粘Ｉ畹拿總€(gè)角落滲透著。前不久，推特的聯(lián)合創(chuàng)始人比茲.斯通（Biz Stone）發(fā)文稱：依據(jù)目前3D打印的發(fā)展趨勢(shì)，10年后耐克將會(huì)成為一家純粹的軟件公司。言外之意就是說(shuō)，我們的生活用品及工業(yè)品10年后將極有可能實(shí)現(xiàn)3D打印。眼下發(fā)生在我們身邊的比如，新百倫和阿迪目前都在嘗試使用3D技術(shù)來(lái)更新自己的產(chǎn)品，服務(wù)客戶的同時(shí)提高效益。

四、3D打印與工業(yè)

3D打印技術(shù)以其突出的技術(shù)特點(diǎn)，已迅速融入到現(xiàn)代制造體系中。近年來(lái)，美國(guó)宇航局一直嘗試將3D打印技術(shù)用于航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的制造，并且已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展。

美國(guó)宇航局嘗試用3D打印技術(shù)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴零部件，由于需要在極端溫度和特定壓力環(huán)境中運(yùn)行，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的制造復(fù)雜且昂貴。然而，與其它航空航天零部件一樣，3D打印技術(shù)能夠有效地減少噴嘴制作的成本和時(shí)間。最近，美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心的一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)出了一款3D打印的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴。目前，該技術(shù)已經(jīng)獲得了專利并且將逐漸進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。工程師們還對(duì)3D打印的噴嘴零件進(jìn)行了熱燃燒測(cè)試。它在高燃燒室壓力和溫度下能夠持續(xù)工作1040秒以上。相信這項(xiàng)技術(shù)，一定會(huì)對(duì)該領(lǐng)域的探索起到關(guān)鍵性的作用。

五、3D打印與醫(yī)療

隨著現(xiàn)代科技和醫(yī)療越來(lái)越緊密的結(jié)合，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的作用也日漸突顯。3D打印的“個(gè)性化定制”與醫(yī)療行業(yè)的“對(duì)癥下藥”的契合性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

一是手術(shù)前練習(xí)，采用3d打印技術(shù)恢復(fù)患者的現(xiàn)場(chǎng)模型，因?yàn)?，醫(yī)生可以以此更直觀地了解病理結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)的成功率；二是醫(yī)療器械，包括助聽(tīng)器、防護(hù)設(shè)備、假肢等外部設(shè)備，以及關(guān)節(jié)、軟骨、支架等內(nèi)部植物；三是“量身制藥”，根據(jù)患者的生理特性來(lái)調(diào)配藥物，提高藥物的療效；四是生物打印，修復(fù)、替換和重建受損組織和器官，可以用人造血管、心臟、神經(jīng)和皮膚等在醫(yī)療領(lǐng)域中，3D打印雖然還受著成本，精度，材料和標(biāo)準(zhǔn)等的制約，市場(chǎng)規(guī)模也比較小，但考慮到巨大的需求潛力和極小的醫(yī)療需求彈性，3D打印的應(yīng)用將不斷擴(kuò)大，在實(shí)施更準(zhǔn)確的診斷和治療方案以及提供更充分的器官移植等方面大放光彩

六、3D打印與軍事

3D打印機(jī)在將來(lái)可打印出軍事武器用于戰(zhàn)場(chǎng)？美國(guó)《武裝部隊(duì)月刊》（Armed Forces Journal）發(fā)表了美國(guó)海軍上尉指揮官蘭薩（Michael Llenza）的觀點(diǎn)：3D打印技術(shù)可能會(huì)顛覆我們?cè)诤Ｉ宪娛虏渴?、補(bǔ)給線 以及戰(zhàn)略方面的固有看法。不僅僅在美國(guó)，中國(guó)軍方也已經(jīng)宣布已經(jīng)開(kāi)始利用3D打印技術(shù)打造下一代戰(zhàn)機(jī)零件。

七、3D打印所面臨的的發(fā)展問(wèn)題

3D打印材料作為3D打印行業(yè)發(fā)展的動(dòng)力支持，在行業(yè)發(fā)展中始終扮演著舉足輕重的角色，因此3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，從一定程度上來(lái)講，材料的發(fā)展決定了3D打印是否能得到更廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著3D打印需求的增加，3D打印材料得到了迅速發(fā)展，主要包括金屬材料、高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料等三大類。但與傳統(tǒng)材料相比，3D打印材料的種類還比較少。現(xiàn)階段隨著技術(shù)和研發(fā)的推進(jìn)，目前有300多種材料可用于3D打印制造，目前，90%的3D打印機(jī)用戶使用桌面級(jí)產(chǎn)品，因此，ABS和PLA等材料的消費(fèi)占這兩種塑料材料的50%以上。目前，高分子材料的生產(chǎn)主要集中在ABS和PLA以及尼龍材料上。

以金屬3D打印為例，可用材料僅有不銹鋼、鈦合金、鋁合金等為數(shù)不多的幾種。另外，3D打印對(duì)材料的形態(tài)也有著嚴(yán)格的要求，一般為粉末狀、絲狀、液體狀等，相比普通材料價(jià)格比較昂貴，根本無(wú)法滿足個(gè)人與工業(yè)化生產(chǎn)的需要。足夠多“買(mǎi)得起”的材料才能為技術(shù)的發(fā)展提供足夠多的選擇空間、為應(yīng)用的擴(kuò)展提供足夠多的想象空間。

未來(lái)，3D打印材料將成為研究開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)、資本涌入的風(fēng)口，材料種類、形態(tài)將得到進(jìn)一步拓展，價(jià)格下降可期，精度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、安全性也更加有保障。