3D打印技术的发展和应用

言帆

摘 要：3D打印技术引领着第三次工业革命。文章概述了3D打印技术的起源发展以及应用领域，有较强的实用性。目前3D打印已经横跨了医学、航天、食品、机械、建筑、汽车、电子、服装、珠宝首飾等多个行业与领域，正快速地蚕食传统行业的自留地。目前，我国3D打印技术发展面临诸多挑战，总体尚处于新兴技术的产业化初级阶段。不过，鉴于未来3D打印技术最有可能在美国和中国率先大规模产业化，我国3D打印产业前景可期，中长期发展趋势向好。从近中期看，3D打印将与传统的制造技术形成互补。相较于传统生产方式，3D打印技术的确是重大的变革，但目前和近中期还不具备推动第三次工业革命的本领，也不会是传统制造业的终结者。

关键词：3D打印；模型；立体

中图分类号：TP334.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0147-02

1 3D打印技术的起源与发展

前几天，美国的福特汽车公司宣布自家的3D打印部门已经能够打印悬挂部件了，而且在不久的将来能将整车都3D打印出来！还是美国的公司，用3D打印机打印了一座房子，仅用24小时就造了一所37平米的小公寓，而造价被控制在10000美刀之内！再把目光转向国内，2017年的3D打印TCT展会正在上海开展，国内外百余家厂商在会展上竞相展出自家的新品。3D打印，这个似乎有点陌生的词汇有什么魔力汇聚众多行业的关注，乃至于基于这个技术产出的事物都能变成新闻？有别于传统的模具制造方式，3D打印是一种新时代的工业生产方式。

数字化与实体模具是3D打印与模具制造上的一个质的区别，无需投产前的模具准备、样品调整、耗材预估等环节，直接采用数字模型生产，所见即所得。此外，3D打印可以制造出更复杂的结构、更高精度的细节，同时保证极高良品率下的无污染生产。在19世纪90年代初，美国出现了3D打印技术的思想。直到20世纪后期这个思想才得到根本性的发展，被广泛称为“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。相比于传统制造方法，3D打印技术在产品制造复杂程度、生产制造范围、生产制造效率、满足客户个性化需求等方面有着明显的优势。何工艺的发展史都不是线性的，要了解3D打印技术，我们需要深入探索3D打印技术最早的起源。

2011年，约瑟夫·比曼从照相雕塑和地貌成形技术两个角度追溯了3D打印从19世纪中期到20世纪70年代的历史。其中，照相雕塑是指先用相机和镜头获取物体外形，然后模拟照相制版法制造出物体。地貌成形技术是指先用线性方式描绘物体的外形，再用线性形式复制出该物体。比曼根据这两种技术差异将3D打印的发展主要分为两个方向。一个是用分层物体制造的方式进行3D打印，例如FDM技术；另一个（照相雕塑）则利用光照使光敏树脂固化，比如SLA技术。后来本杰明·切维顿将照相雕塑机进行了改进，于1884年获得了缩放雕塑的雕塑打印机专利。于此同时，法国工程师兼设计师阿希尔·科拉斯利用缩放仪研究出另一种雕塑的制作方法。前面提到的制造设备被认为是数控铣床的前身。而数控铣床则是3D打印机的前身。

在照相雕塑技术中，发明人威廉在巴黎建了一个工作室，美国人卡洛·贝斯建议在威廉的制作工艺中加入明胶使雕刻品更为柔和，把一层层膨胀胶质叠放起来，制造出浮雕效果。但现在来看这种工艺并不可行，因为在添加新层时，上一叠层可能已经收缩变硬了。感光材料的发展，起源于1839年蒙戈·庞顿发现铬合金硬化材料开始，直至20世纪早期利用陶瓷照相制作浮雕瓷砖，这些工艺为20世纪的快速成型工艺奠定了基础，标志着光敏树脂浮雕工艺的诞生，它是现代3D打印技术的重要组成部分。在早期的照相浮雕制作工艺中，人们通过加入感光明胶，一旦经过水洗后，明胶就会形成有色调的浮雕：亮区凸出来，暗区凹进去。为了制作出更具立体感的三维物体，工程师奥托·芒兹申请了“照相凹版记录”专利。通过依次曝光一层照相乳剂，通过光照使之固化，以此来制造三维物体。待曝光照片用光敏树脂来进行处理，图片在曝光后硬化。

直到20世纪60年代，光敏树脂才开始在印刷界广泛使用。光敏树脂材料的广泛运用，为1986年第一台光固化3D打印机的发明奠定了基础。当时的3d打印机非常巨型而且昂贵。现在，3d打印技术已经走向成熟，生产链条也基本完善成型。

2 3D打印技术的应用

“只有你想不到，没有什么做不到”用这句话来阐明3D打印的用途，似乎有些简单粗暴了些，但话糙理不糙。3D打印技术的基本原理是扫描一个在电脑中已经完成好的或者完整的三维立体零件模型，按照微积分的思想，沿空间某一坐标轴切成许多个有一定厚度的剖面，然后通过打印机打印出每个剖面部分，再将剖面一层层连接起来，最终就是得到所需要的实体，也即是“分层制造、逐层叠加”。目前核心的3D打印技术方法有以下几种：（1）光固化立体成型；（2）分层实体制造；（3）选择性激光烧结；（4）熔积成型。3D打印数字化的生产方式决定了其具备跨行业、多用途的性质，多模式化的生产包括了定制化、自动化、快速生产等。下面针对几个行业做一些具体的介绍：

2.1 铸造业。近年来，中国铸造业飞速发展，铸造业零部件的生产也跟随世界发展潮流，逐步趋向自动化，数字化以及绿色化。铸造模具的使用在各类铸造工艺当中最为频繁，同时铸件的质量和功能结构变化发展迅速。因此，在铸造行业中出现了3D打印技术。3D打印技术具体应用于铸造工艺当中的成型和核心工作部位，用于快速制造砂磨/芯，并保存模具。在不使用砂箱的情况下，采用低压或重力铸造法，铸造铸铁件、铸钢件来配合砂箱工作。传统铸造的模具设计和制造工艺在3D打印技术中得到了消除，因此也叫无模化铸造。

2.2 陶瓷业。一开始，陶瓷领域主要应用3D打印技术来制作模型，利用3D打印的精细模具来制作精美的陶瓷制品。但后来，3D打印技术逐渐强大到能够完成真实陶瓷产品的生产。近来，许多外国公司或科研机构从事传统陶瓷3D打印技术的研究，有很多突破性的进展。2012年末，“deseen”杂志展示了Unfold设计室的最新研究成果。他们自行研发的3D打印设备已经成功地打印出了各种各样的日用陶瓷产品。一些产品已经被涂上了釉面，效果很好，质量也很好。2013年，运用3D打印技术，以硅粉为原料，糊精为粘结剂，通过对硅氮化硅陶瓷零件的反应烧结高孔隙度，获得了多孔硅的制备工艺。endprint

2.3 设计业。众所周知，产品外观及结构模型做好之后，一般都会进入产品打样的环节，前者是为了看看产品的美观度，后者则是为了验证产品可行性。在这之前一般的手法都是用CNC机床做手板；随着科学技术及3D打印技术的不断发展，现在越来越多的设计公司及企业开始用3D打印技术来做手板。利用传统制造技术如注射法，生产大批聚合物产品，成本相对较低。而3D打印技术则可以以更快，更富有弹性，更低成本的方法生产相对较少的产品。设计师或概念开发小组制造模型的需要可以通过一个桌面大小的3D打印机来满足。

2.4 医疗业。根据相关统计数据显示，医疗和外科中心占据三分之二的3D打印市场份额，在未来很长一段时间内，将在医疗应用领域占据主导地位。除了辅助医疗和人体器官的制造之外，3D打印技术在提供定制和个性化医疗仪器设备方面也有很大的发展空间。首先，使用喷墨3D打印技术可以产生独特的计量药物。这种新的制药方式对传统制药行业可能造成一定的威胁。这一过程所做的新准备已经在许多种药物中得到了检验。其次，3D打印技术可以打印出活体组织。能够打印出活组织无疑是医疗保健行业的一个新突破。以3D打印心脏为例，一些专家预测，3D打印心脏功能将在20年内实现。这是因为3D打印的困难部分是复杂的血管。第三，3D打印可以更精确地控制复杂的药物释放曲线。药物释放曲线显示了药物是如何在病人体内释放的以及药物分解的时间。研究人员可以通过亲自设计和打印药物来帮助了解更多关于其释放曲线的信息。最后，3D打印可以为病人提供一个个性化的处方。通过使用全新的材料，可根据客户的需要，使用3D打印技术进行“异化”的口头管理。也就是说，你可以为每个病人量身定做自己的药。目前医学3D打印的产品仍处在无生命阶段，比如定制化假肢、牙齿、手术模型、骨科植入物等。

3 3D打印技术的不足和未来

3.1 3D打印技术的不足。前面说了那么多3D打印好处，那为什么现阶段它却没有被大部分人接受呢？这就要说到3D打印的不足之处了。总结它的不足点大致有：打印时间长、材料选择单一、成品质量差。打印时间长应该是最明显的缺点了，打印一个日常用的水杯就得耗时4个多小时，很多人因此失去了兴趣。3D打印材料虽然有不少可供选择，但和我们日常生活中的需求比起来，可选择的材料还是单一，而且可供选择的材料又不能直接从日常生活中获取，需要单独购买。制作出来的成品无论从光滑度还是硬度、柔韧性都比不上工业生产。3D打印制作的物件受温度、湿度影响大，使用一段时间就容易断裂。

3.2 3D打印的未来。工业生产的产品千篇一律，3D打印制作的产品因人而异，因此它可以彰显个性，突显个体差异。彰显个性也是未来发展的潮流，每个人都在试图说服别人我和他人不同。虽然3D打印有许多不足之处，但随着科技的进步，3D打印终有一天会在人类历史舞台上大放光彩。

针对消费者的教育和推广普及，则是3D打印未来发展的另一大关键——什么样的对象适合用于增材制造？哪些又是不合适的？这就需要一个标准，包括对打印对象的评估，其大小形状、生产规模、现有材料等。3D打印和其它些材料，也许需要其它替代的商业模式和生产资源组织方式。南加州大学教授Behrokh Koshnevis提出，远程操控可能会成为制造商未来的组织模式。生产者与传统的工厂和设备分离，甚至可能离这些设备定点十万八千里。对设备实现了远程操控之后，工人们不再束足于工厂，可以远程完成自己的工作。这样一种组织模式好处甚多：一方面保护工人健康、安全，增加参与劳动的积极性；另一方面可以通过将工厂设在地产、能源成本相对较低的地区，降低业务开支。

远程办公也可以看作是未来工业4.0发展的一个大趋势，尤其在谈到分散化企业的发展机会时。多种新兴技术，如物联网、大数据及自动化将带动3D打印进一步应用推广。2017下半年，我们期待3D打印进一步迎势而发！

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