3D打印技術(shù)應(yīng)用趨勢及發(fā)展前景

李寶赫 林益恒

摘要：21世紀(jì)以來，全世界圍內(nèi)都掀起了利用3D打印技術(shù)進(jìn)行二維建模打造實(shí)體的熱潮。3D打印自誕生至今，作為一種新型的高科技技術(shù)，在眾多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。許多國家將其視為第三次科技革命的新制高點(diǎn)，更因?yàn)槠渚哂袘?yīng)用的廣泛性、價(jià)值性和普及性的特點(diǎn)廣泛受到人們的關(guān)注和熱切的討論。本文針對3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，探討了其在教育、醫(yī)學(xué)、航坑、日常生活等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：3D打印;發(fā)展現(xiàn)狀;應(yīng)用趨勢

1 3D打印的概述

3D打印是能夠有效地將數(shù)字化二維模型實(shí)體化的一種快速成型技術(shù)，它在設(shè)計(jì)和制造物體方面表現(xiàn)十分高效，又稱增材制造。3D打印的工作原理就是將一個(gè)三維的幾何拆分為若干個(gè)二維的平面，依據(jù)拆分對象的三維數(shù)據(jù)對打印對象進(jìn)行逐層加工，利用成形設(shè)備層層材料堆積而形成所需要的立體模型，制造出實(shí)體三維模型。通俗一點(diǎn)來說，就像是現(xiàn)今社會上普遍存在的普通打印機(jī)，可以打印出紙面（即二維空間）上的任意圖畫，3D打印就是將三維幾何切分成一個(gè)個(gè)二維平面進(jìn)行打印，然后將平面進(jìn)行順序疊加，最終制造出一個(gè)實(shí)體立體幾何模型。3D打印采用的是增材制造的方式，和采用減材制造的傳統(tǒng)工藝有所不同，它在實(shí)現(xiàn)原材料的高效利用上具有重要意義，節(jié)約能源，是一種更加符合現(xiàn)代化建設(shè)的制造方式。目前為止，發(fā)展的3D打印技術(shù)類型有熔融沉積式（FDM）、分層疊加式（GLOM）、光敏樹脂固液化成式（SLA）、選擇性粉末激光燒結(jié)式（SLS）、激光選區(qū)融化式（SLM）等[1]。

自3D打印技術(shù)產(chǎn)生以來，就是作為人類社會文明的一次重大突破而存在的。僅僅幾十年的時(shí)間，3D打印技術(shù)就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同的領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)，隨著社會的進(jìn)步，3D打印技術(shù)快速且廣泛的被大眾所關(guān)注、討論和接受，3D打印機(jī)的價(jià)格也不斷下降，更為其普及程度作出貢獻(xiàn)，使更多普通用戶能夠體驗(yàn)到制造三維立體模型的所帶來的新奇感與愉悅感。現(xiàn)如今3D打印技術(shù)的普遍應(yīng)用，不僅僅是因?yàn)樗鼮槎鄻踊牟牧线x擇和加工方式更加符合現(xiàn)代化道路的發(fā)展，也是因?yàn)樗侨祟愇拿鳉v史上前所未有的一種生產(chǎn)生活方式和理念。準(zhǔn)確來講，3D打印并非是一種全新的技術(shù)，與其稱它為新，不如稱它是綜合性生產(chǎn)方式，畢竟它綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、激光、材料等多種先進(jìn)技術(shù)[2]。可以說3D打印是一種應(yīng)運(yùn)而生的綜合型生產(chǎn)技術(shù)，是人類文明進(jìn)步的體現(xiàn)。甚至有學(xué)者認(rèn)為，人類社會的第三次工業(yè)革命將由3D打印技術(shù)來引領(lǐng)。3D打印技術(shù)的重要性也顯而易見了，它在航空航天、食品、醫(yī)學(xué)、考古、制造、生活藝術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，在未來數(shù)十年都將會成為全球范圍內(nèi)的重要的研究課題[3]。

2 3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）3D打印具有理論全能制造性：即理論情況下，沒有3D打印機(jī)制造不出來的立體幾何模型，只有計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)不出來的，也就是計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)出來三維圖案不管有多復(fù)雜都可以通過3D打印技術(shù)制造出來。當(dāng)然，這一切都是在不受材料限制的基礎(chǔ)之上成立的[4]。

（2）打印的精準(zhǔn)性：3D打印技術(shù)打印出的產(chǎn)品最薄可以達(dá)到0.025mm，又因其基于數(shù)據(jù)模，以及與掃描技術(shù)相結(jié)合的特點(diǎn)，使其制造的產(chǎn)品具有極高的精確性，使打印對象的實(shí)物還原能力達(dá)到了最高。這使得它更適用于醫(yī)學(xué)、航空航天方面零件的制造，進(jìn)而為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了更高的安全性。

（3）選材的多樣性：3D打印技術(shù)的選材不像普通打印機(jī)一樣局限于噴墨，它可以實(shí)現(xiàn)用各種不同的材料進(jìn)行打印，如金屬粉末、陶瓷、光敏樹脂等，這就為滿足不同領(lǐng)域的需求提供了條件。

（4）打印的瞬時(shí)性：3D打印機(jī)可以根據(jù)需要，快速的產(chǎn)生反應(yīng)以滿足工廠、企業(yè)的需求，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)更加靈活。往往，利用3D打印技術(shù)運(yùn)行的制造工藝（制造配件）直接與生產(chǎn)工藝（安裝配件，制成成品）相結(jié)合，會大額減少物流運(yùn)輸?shù)某杀?，包括金錢和時(shí)間。

（5）生產(chǎn)成本低：不同于減材制造的傳統(tǒng)工藝，3D打印采用的是增材制造的加工方式，避免了額外材料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了對原材料的百分之百利用。除了在原材料方面的成本降低，如果能夠?qū)崿F(xiàn)就地取材、制造、生產(chǎn)，這期間的物流運(yùn)輸成本也會大幅度下降[5]。

事事都有兩面性，3D打印有它的優(yōu)勢，也必然有它的劣勢：

（1）打印設(shè)備成本高：至今為止，3D打印設(shè)備仍然處于較高價(jià)格，這就阻礙了一些小型工廠、公司在工業(yè)化生產(chǎn)過程中對它的應(yīng)用，對其發(fā)展造成了不小的困難，使得對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣增加了難度。

（2）制作精度低：3D打印技術(shù)主要是通過控制原材料冷卻以制成幾何模型，然而融化的高溫液體或粉末易凝固，不易控制其冷卻成型，導(dǎo)致了制造成品的精度略低，進(jìn)而造成工作效率低下。這一方面仍需進(jìn)一步的發(fā)展改進(jìn)。

（3）材料選擇具有局限性：3D打印主要所應(yīng)用的材料有金屬粉末、光敏樹脂、塑料、陶瓷等一些容易融化的材料，而一些難以融化的材料就不能加以應(yīng)用，并且，現(xiàn)有可利用材料在物理、化學(xué)性能方面仍存在不足之處。

（4）能源浪費(fèi)：3D打印會使用到聚合物材料，工業(yè)化生產(chǎn)中對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用要使用激光器進(jìn)行高溫處理，這就會使它多產(chǎn)生相對于注塑機(jī)的傳統(tǒng)注塑工藝而言接近三分之二的廢注塑材料。并且，在打印的過程中，會消耗掉大量的能源[6]。

3 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢

3.1 航空航天領(lǐng)域

3D打印技術(shù)能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，制造出高精度的產(chǎn)品，在航空航天領(lǐng)域可用來加工制造一些復(fù)雜先進(jìn)的機(jī)械零部件，進(jìn)而改善傳統(tǒng)制造加工業(yè)中所存在的缺陷。2012年，美國通用電氣公司采取了激光選區(qū)融化打印技術(shù)（SLM），以此作為LEAP噴氣式發(fā)動機(jī)制造了航空發(fā)動機(jī)葉片，這一葉片較于之前具有更加復(fù)雜的內(nèi)置流道結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)的應(yīng)用也使得他們有底氣接收了LEAP噴氣式發(fā)動機(jī)訂單超過4000臺。2013年，美國航天的科研人員也成功的將3D打印技術(shù)應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)噴射器的制造。并有相關(guān)科研報(bào)告表示，采用3D打印技術(shù)所制造的發(fā)動機(jī)噴射器相比于利用傳統(tǒng)工業(yè)所制造的不僅僅具有更高的質(zhì)量和性能，而且也降低了制造成本，工作量和制作周期通通都有了不同程度的縮減。2013年，我國也將3D打印技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵欽合金構(gòu)件制造，這可以說是我國在這一領(lǐng)域的一重大突破[7]。到目前為止，我國在大型復(fù)合航空金屬零件和3D打印技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)研究上，都取得了不小的成就。02757063-5DE6-40F0-A09E-535A2B7CF61B

3.2 食品領(lǐng)域

3D打印可以制作出食品，將為大眾帶來更加便捷的生活方式。3D打印機(jī)打印食品的時(shí)候，是將食品原料調(diào)配成泥漿的形式，以此作為打印原材料，然后導(dǎo)入預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型，依據(jù)數(shù)據(jù)模型再對原材料進(jìn)行攪拌或者是將原材料注塑到已經(jīng)成型的模具之中，然后進(jìn)行烘烤。與手工制作的食品相比，利用3D打印技術(shù)制造的食品在外觀和口味上并沒有什么差別，但是制作成品的表面難免會有輕微的瑕疵，可能會影響用餐者的食欲。巴塞羅那的一家自然機(jī)器公司所制造出的食品打印機(jī)Food in 3D可以用來打印烘烤糕點(diǎn)、巧克力、漢堡等一些軟質(zhì)材料的食品?，F(xiàn)如今也已有相關(guān)科研技術(shù)人員利用3D打印技術(shù)制造出了受現(xiàn)代社會年輕人歡迎的披薩餅。當(dāng)然，打印食品也具有一定的限制，一般適用于對軟質(zhì)材料的食品，如面包、漢堡、糕點(diǎn)等[8]。3D打印技術(shù)在食品方面的應(yīng)用，也在無形之中逐漸改變著人們的傳統(tǒng)飲食方式，使飲食方式也更加符合現(xiàn)代化。

3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

迄今為止，3D打印已可用于打印手術(shù)輔助器械、人體器官、定制假體。在一些外科領(lǐng)域，如骨科、口腔科等，已經(jīng)出現(xiàn)了不少利用3D打印的成功案例。利用3D打印技術(shù)所打印的骨骼，可以作為人體骨骼的一個(gè)暫時(shí)的替代品，支撐作用不亞于人體骨骼，而當(dāng)人體受傷的骨骼重新恢復(fù)之后，打印出的骨骼也會自然溶解，這一材料對人體自然是無害的。2013年，一位下顎骨感染患者被成功救治，這是3D技術(shù)產(chǎn)生以來首次成功救治病人。德國在利用3D打印技術(shù)打印人體血管這一方面取得了重大突破，3D打印技術(shù)打印半月板等人體軟骨組織在美國也逐漸開始普及。利用3D打印技術(shù)制作人體模板，可以讓醫(yī)生在做手術(shù)之前先練習(xí)一次，增加熟練度，增強(qiáng)醫(yī)生的信心，減輕他們的心理負(fù)擔(dān)，減少失誤率，提高手術(shù)成功率。利用3D打印技術(shù)打印假體相比于傳統(tǒng)制造工藝也具有更多優(yōu)點(diǎn)。比如打印下領(lǐng)骨內(nèi)置物，運(yùn)用醫(yī)學(xué)上的CT掃描技術(shù)可以獲得相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，3D打印利用這個(gè)數(shù)據(jù)可以制作出實(shí)體幾何模型，這種依據(jù)自身情況所制作出的內(nèi)置物與原骨骼具有較高的適配性，可以更好的修復(fù)人體內(nèi)缺損的骨骼，進(jìn)而對整體骨骼對象的力學(xué)性能和生理性能進(jìn)行重建。

3.4 考古領(lǐng)域

同樣，3D打印技術(shù)在考古領(lǐng)域中占有一席之地，特別是破損的古文物，修復(fù)后成果極其顯著。其方便之處在于操作簡單、成型快速，也就是說文物一經(jīng)掃描即可掌握所有的數(shù)據(jù)采集并對其進(jìn)行處理，高度還原的建立相應(yīng)的模型，然后打印出來。例如一件被打碎的但極具厲史價(jià)值的獅子造型瓷器被美國兩位技術(shù)人員應(yīng)用此技術(shù)成功修復(fù)。與此同時(shí)，我國亦有成功案例，杭州技術(shù)公司將天龍山石窟破損比較嚴(yán)重的石像成功還原。隨著考古和3D打印技術(shù)的不斷融合，二者共同成熟發(fā)展，對于人類古代文明的修復(fù)還原和保護(hù)不可或缺[9]。

3.5 制造領(lǐng)域

在制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，相比于傳統(tǒng)模式的制造工藝，這樣不僅可以省略制造過程中的切割材料，部件組裝等過程，節(jié)省大量時(shí)間，還可以降低成本，讓在有限的工作時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更大的規(guī)模的生產(chǎn)。目前，世界各國已有成功利用3D打印技術(shù)制造出汽車，船只等很多交通工具的案例。甚至，近期還有大學(xué)成功打印出了精密的機(jī)器人。

3.6 生活領(lǐng)域

3D打印有很大的應(yīng)用前景，一旦3D打印技術(shù)可以成熟應(yīng)用后，將會對我們的生活產(chǎn)生翻天覆地的改變。在日常生活中，我們可以利用3D打印技術(shù)將自己的獨(dú)一無二的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)，可以打造屬于自己的專屬生活用品，戒指，手機(jī)殼，項(xiàng)鏈，等物品賦予更多的個(gè)人意義。目前為止，英國技術(shù)人員已經(jīng)成功打印出了一套音樂擴(kuò)音器。相信將來的3D打印技術(shù)一定會給我們的生活帶來更多的改變和便利。

3.7 其他領(lǐng)域

其實(shí)3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，它還可以應(yīng)用于建筑、時(shí)尚、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域。我們可以應(yīng)用3D打印技術(shù)快速高效的完成一棟建筑，可以使城市的建造和擴(kuò)建更迅速。在時(shí)尚領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師們可以利用此技術(shù)快速將自己的靈感實(shí)現(xiàn)，無論衣服還是鞋子，都可以在你眼前呈現(xiàn)。在教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印出教材和書本，節(jié)省大量的樹木，也為教育帶來便利[10]。

4 結(jié)語

當(dāng)今社會，3D打印已然成為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，它有著廣闊的發(fā)展前景。雖然它的缺點(diǎn)猶在，在選材、能源方面略顯不足，但是它在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、制造領(lǐng)域以及其他多方面領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)也是其他生產(chǎn)方式所無法比擬的。并且，在不久的將來，我相信，將會出現(xiàn)更多的應(yīng)用成功案例，像是在生物科學(xué)領(lǐng)域，出現(xiàn)3D打印活體組織或器官技術(shù);在航天領(lǐng)域，打印一些大型的機(jī)械零件來極大得降低生產(chǎn)成本，甚至是打印出太空廚房來節(jié)省時(shí)間，這都是有可能的。

當(dāng)然，3D打印技術(shù)也還有著很大的發(fā)展空間，各國科研人員仍需花費(fèi)時(shí)間、力氣來研究克服3D打印的自身不足。尤其對于我國來說，我國的3D打印技術(shù)的發(fā)展仍有待提高，與其他國家相比，我國的這項(xiàng)技術(shù)，仍然不夠成熟，現(xiàn)在仍然處于探索階段，需要改進(jìn)和發(fā)展的地方還有很多，需要不斷的去探索3D打印技術(shù)在更多領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，大范圍實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)。但在如今面臨著3D打印技術(shù)普及程度較低的情況之下，我國應(yīng)將3D打印技術(shù)的發(fā)展推廣先擺放在第一位，跟上時(shí)代的步伐，順應(yīng)科技時(shí)代發(fā)展的潮流，爭取能夠在國際上成為領(lǐng)頭羊，引領(lǐng)科學(xué)研究、技術(shù)的發(fā)展，走在世界的前沿。以及推廣3D打印技術(shù)在大眾之間流行，讓其被更多的人所了解，所應(yīng)用。當(dāng)然，提高科研技術(shù)，選擇合適材料，降低3D打印設(shè)備的成本，真正使它成為一項(xiàng)便民的工具，而不是口頭上的一項(xiàng)快捷工具。待3D打印克服自身劣勢，迎接他的將是更加廣闊的發(fā)展空間，這一技術(shù)也終將改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。

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