3D打印技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

馬曉偉 劉佳 李靜 梁芳 張?zhí)熘?/p>

1 3D打印主要成形技術分析

1.1 3D打印技術的特點

3D打印技術，可以追溯到1976年噴墨打印機的發(fā)明。1984年，Charles Hull將光學技術應用于快速原型制造領域，開啟了3D打印的帷幕。自20世紀80年代以來，3D打印技術已經在全球受到關注，開始走進人們的視野和生活中。如今，3D打印技術已在許多方面得到了很好的發(fā)展和應用，如制造業(yè)、醫(yī)療、學術、航空航天和軍事等領域。

根據(jù)打印技術特點，3D打印可分為：

①立體光刻（SL）。激光掃描并曝光液態(tài)光敏樹脂，聚焦光斑處樹脂反應固化，然后工作平臺至下一深度，保持液面處于焦平面，逐漸成型。

②立體平版印刷技術。這種技術是通過計算機控制激光按零件的各分層截面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成一個薄層，一層固化好后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得到三維實體模型。主要用于復雜、高精度的精細工件快速成型。

③立體光固成型。光敏聚合物噴出后由紫外光按設定程序區(qū)域性迅速固化，可直接在前一支撐層上成型，最后將膠裝支撐材料清晰除去，適合制作復雜結構，每層厚度可精確到0.16μm。

④聚氯乙烯（PVC）塑料燙印復膜。切割刀根據(jù)橫截面數(shù)據(jù)逐層切割并以此堆積，最后拔除底層的PVC材料；機器價格與制作成本相對較低。

⑤三維噴繪打?。?DP）。軟件將3D計算機輔助設計（CAD）文件分割為薄片，截面處鋪上粉末。以噴墨方式涂上連接體，逐層打印形成三維模型。

⑥數(shù)字光處理（DLP）。對光固化性丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）樹脂表面進行曝光，每層曝光僅數(shù)秒。

3D打印技術的工作原理是在計算機上使用電腦建模軟件（如3Dmax等）塑造虛擬3D立體模型，然后將模型文件轉換成與3D打印機匹配的格式，然后3D打印機根據(jù)切片程序將模型整體劃分為很多個橫截面。最后，3D打印機通過將橫截面堆疊成3D模型，完成打印工作。

3D打印技術與計算機建造模型技術相互結合，極大加快了信息化制造技術向網絡定制化和數(shù)字化方向發(fā)展的進度，已經逐漸成為我國國民經濟中不可或缺的一部分。復合材料和金屬材料等現(xiàn)有材料的打印技術是3D打印發(fā)展的重要方向，也是其他許多生產制造領域定制產品的主要工作形式[1]。

1.2 3D打印技術的優(yōu)勢

3D打印技術避免了傳統(tǒng)制造業(yè)的切割程序，不需要通過模具進行制造，加工速度也較快，生產周期相對較短，更重要的是3D打印在制造體積小、結構復雜的物體時具有很大優(yōu)勢。通過一體成型的打印技術，不需要二次加工，通過與電腦聯(lián)機結合操作，實現(xiàn)了批量生產和遠程操控。

3D打印技術中最具代表性的是熔融沉積成形技術，其工作原理是將熱熔長絲材料通過送絲裝置送入噴嘴，在計算機軟件的控制下，將噴嘴加熱擠出已經軟化的材料，開始沿著物體的輪廓移動，直到半流動材料的填充和凝固完成，形成三維印刷產品。例如，對于塑料產品的三維打印，通過對三維打印機的噴嘴加熱使塑料熔化，塑料在擠出后快速冷卻，并與周圍的材料粘合和覆蓋。現(xiàn)階段熔融沉積成形技術（FDM）可以對金屬、石蠟、ABS、聚乳酸（PLA）、人造橡膠等進行打印，生產出的3D模型、機械零部件、日常用品等，被廣泛應用于建筑、汽車、航空航天和醫(yī)療領域。相比于傳統(tǒng)機械加工生產，F(xiàn)DM技術具有成本低、材料廣泛、原料利用率高、污染小等優(yōu)勢[2]。

2 3D打印需求現(xiàn)狀

2.1 研究現(xiàn)狀

截至目前，已經根據(jù)3D打印制造原理產生了許多種制造技術，并且根據(jù)實際還分出了很多材料。3D打印常用材料有環(huán)保材料PLA、不銹鋼、鈦合金、鋁材料、石膏材料、橡膠材料、耐用尼龍材料等。實現(xiàn)3D打印的主要技術類型有光聚合成型技術、粒狀材料成型技術、擠出成型技術、線材成型技術、層壓成型技術和粉末層噴嘴技術3D打印成型技術。

以建筑行業(yè)為例，從設計的角度看：建房不需要復雜的設計過程，每個專業(yè)設計師在3D模型中完成自己的設計，也許有一天，大家可以直接從互聯(lián)網上下載想要的建筑模型。對于建筑造型而言，在傳統(tǒng)建筑中難以實現(xiàn)的表面建模在3D打印中則變得更為簡單，這對于追求自由造型的建筑師來說絕對是個好消息。必須出現(xiàn)新的結構設計方法。例如使用有限元分析，現(xiàn)有的結構設計規(guī)范和相關的技術標準可能不再適用于打印建筑物，需要開發(fā)適合3D打印在建筑中應用的的行業(yè)規(guī)范，新的施工過程需要新的驗收標準，并應同時開發(fā)新的建筑檢測技術。

2.2 材料的探索

在材料方面，已經開始探索陶瓷和粘土等材料的使用，為了滿足3D打印建筑的需求，未來可能會出現(xiàn)許多特殊材料，如纖維材料、復合材料、化學材料和智能材料。材料性能要求將會不斷得到提高，材料科學研究向著微觀方向發(fā)展，新材料更符合建筑材料標準。以混凝土為例，首先，混凝土的原材料將變得更加廣泛。例如，膠凝材料可以使用特殊的水泥，樹脂，鎂膠合材料等；粗、細骨料的質量要求會更高，以滿足3D打印的需要?；炷帘仨毦哂懈玫牧鲃有?，并且能夠快速凝結在空氣中的自支撐。外加劑可能會發(fā)生根本變化，它們在具體系統(tǒng)中的作用和作用機制也完全不同。其次，在縱橫比設計中，可能需要新的理論來支持，混凝土的性能發(fā)生了巨大的變化，硬化和收縮性能發(fā)生了根本性的變化[3]。

在3D打印行業(yè)目前主要的材料也有很多，例如工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料和金屬材料等。其中工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有ABS、PC類材料、PLA、尼龍類材料等，工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。此外橡膠材料和金屬材料也分別以其各自的優(yōu)點在騎車、醫(yī)療和金屬制造等行業(yè)發(fā)揮著不可限量的大作用。

2.3 3D打印對社會生活的影響

3D打印建筑技術集成了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、建筑技術、建筑設計、材料科學和化學等多學科，整合需要協(xié)調發(fā)展。3D打印建筑非常適合緊急住房和貧困群體，未來開發(fā)的打印機可以真正創(chuàng)造適合人們居住的房屋。在遭受自然災害后，建筑機器可以快速打印出房屋，并可以自動安裝各種設施，這些設施優(yōu)于救災帳篷和活動在功能和力量方面。未來的3D打印建筑也可以滿足定制客戶的需求，特別是對于具有復雜和不規(guī)則外觀的建筑物和結構，相對來說3D打印具有獨特的優(yōu)勢。

3D打印在個性工藝品創(chuàng)作方面，可以以極低的成本和較快的制作速度輕松地滿足人們的創(chuàng)作思路和需求，能在藝術創(chuàng)作之路上為人們提供更多的思路和更強大的幫助。另外在教育方面，3D打印可以讓學生們能以更為直觀的角度觀察到一個事物從無到有的制作過程，激發(fā)孩子們的創(chuàng)造力，3D打印將會是引領時代進步和社會新變革的主要技術力量。

3 3D打印技術應用趨勢

3.1 3D打印技術在手工制造業(yè)方面的應用

3D打印技術在制造業(yè)中得到最廣泛的使用。從3D打印輪船汽車、3D打印機器人以及打印家具，到小型的3D打印螺絲螺母、工業(yè)零件和手機殼等，所有這些都可以通過3D打印進行堆疊。2014年，美國康奈爾大學的創(chuàng)意機器人實驗室HodLipson制造了微處理器、電池和機器人連接器等部件，并且能夠完全組裝輕型機器人[4]。

3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也具有一定的優(yōu)勢，對于一些尺寸較小、形狀較為復雜的零部件來說，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，這對企業(yè)優(yōu)化精密零部件制造流程、提高企業(yè)利潤會產生積極影響。除了以上這些方面外，3D打印模具在提升精密零部件產品的性能、實現(xiàn)精密零部件產品的個性化制造等方面也表現(xiàn)突出。

對于一些尺寸較小、形狀較為復雜的零部件來說，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，這對企業(yè)優(yōu)化精密零部件制造流程、提高企業(yè)利潤會產生積極影響。除了以上這些方面外，3D打印模具在提升精密零部件產品的性能、實現(xiàn)精密零部件產品的個性化制造等方面也表現(xiàn)突出。企業(yè)可以借助3D打印來優(yōu)化精密零部件的制造工具，使相應的工具在設計時更多地考慮人體工學，以提高其操作舒適性和實用性，如精密零部件模具。通過優(yōu)化模具等制造工具的設計，精密零部件的廢品率將進一步降低。

3.2 3D打印技術在醫(yī)學領域的應用

3D打印技術可用于快速準確地創(chuàng)建人體器官模型。在器官模型的幫助下，醫(yī)生可以診斷患者的病情。同時，人體器官模型可以幫助醫(yī)生充分進行術前討論，找到最佳的手術治療方案，從而有效縮短手術時間，降低手術風險。由于醫(yī)療模型的易用性，發(fā)達國家的市場正在迅速擴大。除醫(yī)療模型外，還可以使用3D打印制造高效藥物。由于藥物的大小和形狀的高度相似性，以及成型過程的易于移植，應用前景廣闊。美國科學家已經成功地使用3D打印快速原型技術生產口服給藥的控釋片劑。

3D打印還可以打印出人造骨骼，采用了能夠分解的工程材料作為打印機材料，通過3D打印機打印出帶有活性因子和疏松多孔的人造骨骼。并且將人造骨骼植入生物體內后，通過一段時間的分解，鈣化物質居然可以被活體完全吸收并形成新的骨骼，這些都已經在動物實驗中得到了充分的驗證[5]。英格蘭一位女童裝上了3D手掌，一位農民工則裝上了一塊頭蓋骨，甚至澳大利亞公司CSIRO可以為病人量身定做鈦制的胸骨和肋骨，從而為其打造一個3D胸腔。美國生物科技公司Organovo就曾經利用細胞3D打印技術，在細胞培養(yǎng)基座中打印出肝臟所需的細胞組織，經過在器皿中的培養(yǎng)，就可以生長為正常形狀的肝臟并移植到人體。

3.3 3D打印技術在家庭消費娛樂方面的應用

最開始的3D打印機大多數(shù)設備功能單一，主要用于工程建設和醫(yī)藥科學方面，由于價格不菲、體形龐大，因此嚴重影響了它們在家庭消費領域的應用。但隨著用于家庭和個人應用的桌面3D打印機的出現(xiàn)，3D打印機在家庭消費市場上的銷量正在日漸升溫。伴隨著家用3D打印機的價格不斷下降，打印機的功能也變得更加多樣化，家用消費領域3D打印機的應用范圍將迅速擴大。例如，在食品行業(yè)，2012年，賓夕法尼亞大學的科學家們使用3D打印機技術在實驗室中打印出了人造肉，人們居然可以在碳水化合物的生長框架上種植新鮮的肉類組織，其味道與真正的肉類非常相似。最近的研究結果表明3D打印技術在食品生產制造領域具有廣闊的應用前景，雖然3D打印食品技術仍處于初步實驗階段[6]。

此外，家庭中的一些日常小工具，比如花盆、筆筒、收納盒等，都可以按照自己的意愿對模型的外形和尺寸大小進行相應的設計，然后在電腦上建模后通過3D打印技術制造出實體，給生活增添一份不一樣的樂趣。家里如果有兒童也可以利用3D打印為孩子們制作玩具，既培養(yǎng)了孩子們的動手動腦能力，又節(jié)省了買玩具的費用。

4 結語

3D打印技術具有結構精確、完整性好、成本低的特點。它已經生產了一系列具有良好經濟價值的產品，并且開始廣泛應用于機械制造、建筑、醫(yī)藥和航空航天等眾多領域。在現(xiàn)代社會中各行各業(yè)一直堅持顧客就是上帝的服務原則和宗旨，從而3D打印就更需要根據(jù)不同客戶的多樣性需求去做3D打印產品，為顧客們提供品相最好的作品，這樣做不但能很大程度降低了產品的生產成本和市場競爭風險，還在一定程度上改善了很多普通用戶的消費生活水平。

對3D打印技術的發(fā)展和應用帶來限制的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印設備的適用性。目前3D打印技術可用的快速成型材料主要包括聚合物材料、金屬材料和無機非金屬。雖然聚合物材料已廣泛應用于商業(yè)3D打印機，但其他材料的應用仍處于探索的初始階段（例如限于特定塑料，樹脂和金屬的材料，精度只能達到微米水平），所以數(shù)量有限的印刷材料在很大程度上限制了3D打印技術的推廣。幸運的是，隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，未來即將出現(xiàn)的更多具有良好綜合性能的成型材料和材料種類的越來越豐富，都為3D打印技術的進一步發(fā)展推廣提供了良好的支持。另一方面，隨著3D打印技術可用材料的不斷增加和3D打印機工作能力的不斷提高，可以通過3D打印機進行打印的實體模型種類將會呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，3D打印技術的應用領域也將會繼續(xù)擴大。最為主要的是，隨著設備的改進和新興工藝的不斷發(fā)展，3D打印產品的尺寸精度和材料性能將進一步提高，對傳統(tǒng)的機械手工制造業(yè)的影響將慢慢展現(xiàn)出來。在個人應用領域，面對不同消費群體的個性化需求，將會有更緊湊、方便、經濟實用的模型，適用于辦公環(huán)境。

雖然3D打印技術在全球制造業(yè)中所占比例可以忽略不計，但3D打印技術的發(fā)展和應用也受到各種因素的影響，然而，隨著不斷的研究和技術的進步，3D打印的應用領域將不斷擴大，印刷材料將更加多樣化，打印設備的功能也會更加完善，而且即將給傳統(tǒng)的生產方法帶來深遠的影響，引領全球制造業(yè)的新一輪革命浪潮。

參考文獻

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[2] 劉海濤，莫健華，黃冰.一種用于3D打印系統(tǒng)的光敏預聚物的合成[J].高分子材料科學與工程，2008，24（12）：29—56.

[3] 王光艷，羅青龍.3D打印技術在高等教育中的應用與發(fā)展[J].中國教育技術裝備，2016（16）：15—12.

[4] 陳道道.3D打印技術在醫(yī)學中應用的認識[J].工程技術研究，2018（1）：16—26.

[5] 趙火平，樊自田，葉春生.3D打印技術在粉末材料快速成形中的研究現(xiàn)狀評述[J].航空制造技術，2011（9）：11—42.

[6] 丁有成.3D打印技術的工業(yè)應用及產業(yè)化發(fā)展[J].民營科技，2018（7）：36—41.