3D打印技術應用趨勢及發(fā)展前景

李寶赫 林益恒

（黑龍江中醫(yī)藥大學，黑龍江哈爾濱 150040）

1 3D打印的概述

3D打印是能夠有效地將數(shù)字化二維模型實體化的一種快速成型技術，它在設計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三維的幾何拆分為若干個二維的平面，依據(jù)拆分對象的三維數(shù)據(jù)對打印對象進行逐層加工，利用成形設備層層材料堆積而形成所需要的立體模型，制造出實體三維模型。通俗一點來說，就像是現(xiàn)今社會上普遍存在的普通打印機，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個二維平面進行打印，然后將平面進行順序疊加，最終制造出一個實體立體幾何模型。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)代化建設的制造方式。目前為止，發(fā)展的3D打印技術類型有熔融沉積式（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式（SLS）、激光選區(qū)融化式（SLM）等。

自3D打印技術產(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。僅僅幾十年的時間，3D打印技術就已經(jīng)廣泛應用于各個不同的領域，產(chǎn)生顯著影響。同時，隨著社會的進步，3D打印技術快速且廣泛的被大眾所關注、討論和接受，3D打印機的價格也不斷下降，更為其普及程度作出貢獻，使更多普通用戶能夠體驗到制造三維立體模型的所帶來的新奇感與愉悅感?，F(xiàn)如今3D打印技術的普遍應用，不僅僅是因為它更為多樣化的材料選擇和加工方式更加符合現(xiàn)代化道路的發(fā)展，也是因為它是人類文明歷史上前所未有的一種生產(chǎn)生活方式和理念。準確來講，3D打印并非是一種全新的技術，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)代計算機、激光、材料等多種先進技術?？梢哉f3D打印是一種應運而生的綜合型生產(chǎn)技術，是人類文明進步的體現(xiàn)。甚至有學者認為，人類社會的第三次工業(yè)革命將由3D打印技術來引領。3D打印技術的重要性也顯而易見了，它在航空航天、食品、醫(yī)學、考古、制造、生活藝術等領域的應用，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。

2 3D打印的優(yōu)缺點

與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術具有明顯的優(yōu)點：

（1）3D打印具有理論全能制造性：即理論情況下，沒有3D打印機制造不出來的立體幾何模型，只有計算機設計不出來的，也就是計算機所設計出來三維圖案不管有多復雜都可以通過3D打印技術制造出來。當然，這一切都是在不受材料限制的基礎之上成立的。

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

（3）選材的多樣性：3D打印技術的選材不像普通打印機一樣局限于噴墨，它可以實現(xiàn)用各種不同的材料進行打印，如金屬粉末、陶瓷、光敏樹脂等，這就為滿足不同領域的需求提供了條件。

（4）打印的瞬時性：3D打印機可以根據(jù)需要，快速的產(chǎn)生反應以滿足工廠、企業(yè)的需求，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)更加靈活。往往，利用3D打印技術運行的制造工藝（制造配件）直接與生產(chǎn)工藝（安裝配件，制成成品）相結合，會大額減少物流運輸?shù)某杀荆ń疱X和時間。

（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，實現(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)，這期間的物流運輸成本也會大幅度下降。

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

（2）制作精度低：3D打印技術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，導致了制造成品的精度略低，進而造成工作效率低下。這一方面仍需進一步的發(fā)展改進。

（3）材料選擇具有局限性：3D打印主要所應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用，并且，現(xiàn)有可利用材料在物理、化學性能方面仍存在不足之處。

（4）能源浪費：3D打印會使用到聚合物材料，工業(yè)化生產(chǎn)中對于3D打印技術的應用要使用激光器進行高溫處理，這就會使它多產(chǎn)生相對于注塑機的傳統(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。

3 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀及應用趨勢

3.1 航空航天領域

3D打印技術能夠適應惡劣的工作環(huán)境，制造出高精度的產(chǎn)品，在航空航天領域可用來加工制造一些復雜先進的機械零部件，進而改善傳統(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（SLM），以此作為LEAP噴氣式發(fā)動機制造了航空發(fā)動機葉片，這一葉片較于之前具有更加復雜的內(nèi)置流道結構，這一技術的應用也使得他們有底氣接收了LEAP噴氣式發(fā)動機訂單超過4000臺。2013年，美國航天的科研人員也成功的將3D打印技術應用于火箭發(fā)動機噴射器的制造。并有相關科研報告表示，采用3D打印技術所制造的發(fā)動機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打印技術應用于飛機關鍵欽合金構件制造，這可以說是我國在這一領域的一重大突破。到目前為止，我國在大型復合航空金屬零件和3D打印技術相結合的相關研究上，都取得了不小的成就。

3.2 食品領域

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打印機打印食品的時候，是將食品原料調(diào)配成泥漿的形式，以此作為打印原材料，然后導入預先設計的數(shù)據(jù)模型，依據(jù)數(shù)據(jù)模型再對原材料進行攪拌或者是將原材料注塑到已經(jīng)成型的模具之中，然后進行烘烤。與手工制作的食品相比，利用3D打印技術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器公司所制造出的食品打印機Food in 3D可以用來打印烘烤糕點、巧克力、漢堡等一些軟質(zhì)材料的食品。現(xiàn)如今也已有相關科研技術人員利用3D打印技術制造出了受現(xiàn)代社會年輕人歡迎的披薩餅。當然，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、糕點等。3D打印技術在食品方面的應用，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)學領域

迄今為止，3D打印已可用于打印手術輔助器械、人體器官、定制假體。在一些外科領域，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打印技術所打印的骨骼，可以作為人體骨骼的一個暫時的替代品，支撐作用不亞于人體骨骼，而當人體受傷的骨骼重新恢復之后，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技術產(chǎn)生以來首次成功救治病人。德國在利用3D打印技術打印人體血管這一方面取得了重大突破，3D打印技術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打印技術制作人體模板，可以讓醫(yī)生在做手術之前先練習一次，增加熟練度，增強醫(yī)生的信心，減輕他們的心理負擔，減少失誤率，提高手術成功率。利用3D打印技術打印假體相比于傳統(tǒng)制造工藝也具有更多優(yōu)點。比如打印下領骨內(nèi)置物，運用醫(yī)學上的CT掃描技術可以獲得相應的影像數(shù)據(jù)，3D打印利用這個數(shù)據(jù)可以制作出實體幾何模型，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，可以更好的修復人體內(nèi)缺損的骨骼，進而對整體骨骼對象的力學性能和生理性能進行重建。

3.4 考古領域

同樣，3D打印技術在考古領域中占有一席之地，特別是破損的古文物，修復后成果極其顯著。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)采集并對其進行處理，高度還原的建立相應的模型，然后打印出來。例如一件被打碎的但極具厲史價值的獅子造型瓷器被美國兩位技術人員應用此技術成功修復。與此同時，我國亦有成功案例，杭州技術公司將天龍山石窟破損比較嚴重的石像成功還原。隨著考古和3D打印技術的不斷融合，二者共同成熟發(fā)展，對于人類古代文明的修復還原和保護不可或缺。

3.5 制造領域

在制造領域中3D打印技術應用廣泛，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)省大量時間，還可以降低成本，讓在有限的工作時間內(nèi)進行更大的規(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，近期還有大學成功打印出了精密的機器人。

3.6 生活領域

3D打印有很大的應用前景，一旦3D打印技術可以成熟應用后，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打印技術將自己的獨一無二的創(chuàng)意實現(xiàn)，可以打造屬于自己的專屬生活用品，戒指，手機殼，項鏈，等物品賦予更多的個人意義。目前為止，英國技術人員已經(jīng)成功打印出了一套音樂擴音器。相信將來的3D打印技術一定會給我們的生活帶來更多的改變和便利。

3.7 其他領域

其實3D打印技術的應用遠遠不止于此，它還可以應用于建筑、時尚、教育、醫(yī)療等領域。我們可以應用3D打印技術快速高效的完成一棟建筑，可以使城市的建造和擴建更迅速。在時尚領域，設計師們可以利用此技術快速將自己的靈感實現(xiàn)，無論衣服還是鞋子，都可以在你眼前呈現(xiàn)。在教育領域，3D打印技術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。

4 結語

當今社會，3D打印已然成為一項新興產(chǎn)業(yè)，它有著廣闊的發(fā)展前景。雖然它的缺點猶在，在選材、能源方面略顯不足，但是它在航空航天領域、醫(yī)學領域、制造領域以及其他多方面領域的優(yōu)點也是其他生產(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)更多的應用成功案例，像是在生物科學領域，出現(xiàn)3D打印活體組織或器官技術；在航天領域，打印一些大型的機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)省時間，這都是有可能的。

當然，3D打印技術也還有著很大的發(fā)展空間，各國科研人員仍需花費時間、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打印技術的發(fā)展仍有待提高，與其他國家相比，我國的這項技術，仍然不夠成熟，現(xiàn)在仍然處于探索階段，需要改進和發(fā)展的地方還有很多，需要不斷的去探索3D打印技術在更多領域的相關應用，大范圍實現(xiàn)3D打印技術。但在如今面臨著3D打印技術普及程度較低的情況之下，我國應將3D打印技術的發(fā)展推廣先擺放在第一位，跟上時代的步伐，順應科技時代發(fā)展的潮流，爭取能夠在國際上成為領頭羊，引領科學研究、技術的發(fā)展，走在世界的前沿。以及推廣3D打印技術在大眾之間流行，讓其被更多的人所了解，所應用。當然，提高科研技術，選擇合適材料，降低3D打印設備的成本，真正使它成為一項便民的工具，而不是口頭上的一項快捷工具。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，這一技術也終將改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。