走近3D打印技术

朱奕盈

关键词：3D打印机

3D打印（3D printing）技术又称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

自从1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机，到如今经历了将近30年的时间。在这段时间内3D打印技术迅速发展，为我们的生活和工业带来了巨大的改变。

1 3D打印技术原理

3D打印技术每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

3D打印技术使用胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

2 技术分类

（1）3DP技术

采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型，采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。

FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。

（2）SLA立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

（3）SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。

（4）DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

（5）UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。

3 3D打印的应用

1.工业制造：

产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。3D 打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D 打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。

2.文化创意和数码娱乐：

形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印塑造了部分角色和道具；3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平。3D照相馆也出现在我们的生活中。随着配套产品3D扫描仪的迅速发展，我们可以把我们身边的出现的实体，通过3D打印技术为我们所有。可以通过互联网资源，利用数据库，以及开源软件，自己就可以打印自己喜欢的物体。可以促进我们灵感的发挥。

3.航空航天、国防军工：

复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。

4.生物医疗：

3D打印技术在医疗器械领域应用，它可以直接生成器官结构，人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。打印出立体模型，医生据此判断、实施复杂的手术。患者的心脏手术非常复杂，医生需要根据需要选择适合型号的医疗器械。在术前，打印出患者的心脏模型，医生可以对患者的心脏结构有了更精确的判断，研究、选择好要放置的PDA封堵器，再加上娴熟的技术能大大提升治疗成功率，使很多原本不可能的手術成为可能。新兴的生物三维打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。

5.消费品：

珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造。

6.建筑工程：

建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。2015年7月17日，一栋3D打印出来的两层精装别墅亮相西安，引起众人惊叹。据介绍，这栋别墅只花3小时就建成了，只需一台起重机将独立的客厅、卧室、厨房、卫生间等模块吊起来拼接安装，不到3个小时，这栋两层精装别墅就落成了。

7.科学研究：

美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。

9.文物保护：博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。

10.食品行业：研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

11.个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

制约发展的因素

技术因素

现在三维打印技术的精度约为0.1毫米，而且打印机本身的售价偏高，对于打印一些高精度实体，存在较大误差，由于技术原理等因素使得3D打印出的实体硬度有待于进一步考究。

耗材

限制3D打印技术发展技术的一个关键要素就是材料，材料的昂贵使得打印出来的东西没有较高的性价比，以及材料的粘度是否达到要求，都限制着3D打印技术的普及和推动。

安全与道德因素

3D打印机可制作枪支，安全问题引发争议，从网上免费下载示意图，然后在3D打印机上制作枪支，所有一切都只通过点击按钮完成。点击打印，然后走开，几小时后你就拥有一支枪了。这样制作枪支不需要接受背景调查，没有年龄限制，枪支身上也不需要刻上序列号或需要跟踪枪支去处的销售收据。所以3D打印技术带来的安全问题也是存在争议的，未来如何发展，还需进一步明确。

到目前还没有相关的法律法规对3D打印机做相关的要求，比如3D打印一定会成为趋势，不过以后会不会出现与克隆方面的道德问题，让人忧心。

3D打印需要更多的法律方面的规定，不然就有可能在非法领域进行应用。这点，新加坡做的很好，已经出台了政策。

没有实现统一标准化

联合国尚未对3D打印行业建立统一的共性标准。由于使用3D打印技術制造产品的特点为小批量，个性化，这就凸显行业共性标准的决定性意义。而国内目前整个行业尚处于一个整合度较低，比较无序的阶段。这大大制约了3D打印在国内的大规模商业化进程。

面对如此多的限制因素，我们需要更加努力不断完善不足，以便让3D打印技术为我们带来更大的利益。