3D 打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述

李文竹 張勇（通訊作者） 李策 通化師范學(xué)院物理學(xué)院

引言

3D 打印技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建實(shí)體，利用粉末狀金屬、塑料或尼龍等可粘合材料，通過(guò)逐層打印累加的方式來(lái)任意構(gòu)造物體的新興技術(shù)。近些年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家掀起了3D 打印的狂潮，隨著21 世紀(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，3D 打印技術(shù)已經(jīng)逐步走向成熟，各項(xiàng)技術(shù)逐漸被完善。目前，3D 打印技術(shù)正在改變著很多人的生產(chǎn)生活方式，在醫(yī)學(xué)、考古、文物、建筑與制造、航天航空等方面都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。醫(yī)生通過(guò)3D 打印技術(shù)制作病毒、細(xì)胞、骨骼和器官等模型。

3D 打印的出現(xiàn)，催生了眾多新穎的設(shè)計(jì)理念，推動(dòng)了社會(huì)許多新型開(kāi)發(fā)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。伴隨著社會(huì)日新月異的發(fā)展，3D 打印技術(shù)終將改變著人們的生活方式以及產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，進(jìn)一步改變著國(guó)家乃至世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式和格局。

1 3D 打印技術(shù)的原理

3D 打印的運(yùn)行過(guò)程：

(1）建立三維模型

確定三維模型的軟件不是唯一的，建立三維模型可以使用CATIA、AutoCAD、SkethUP 等三維建模軟件，也可以使用Z Crop或者3D Cemega 等3D 掃描設(shè)備來(lái)獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理，以數(shù)字化的方式生成所需的三維模型。

(2）分層切割

3D 打印機(jī)并不能直接將物體通過(guò)3D 打印的方式打印出來(lái)，而是要通過(guò)打印機(jī)專門(mén)配置的軟件來(lái)進(jìn)一步處理，通過(guò)三維數(shù)字模型，將模型分為一個(gè)個(gè)的二維圖形，一個(gè)個(gè)二維圖形就成了一層層的薄片，每個(gè)薄片的厚度由打印機(jī)的規(guī)格和噴涂材料的屬性決定。

(3）創(chuàng)造三維模型

三維模型的實(shí)現(xiàn)方式是根據(jù)不同的原理，引發(fā)不同的生產(chǎn)方式。第一種方法是利用3D 打印機(jī)將需要打印的材料和特制材料的膠水按照先前所提供二維圖形信息，通過(guò)層層疊加在一起形成最終的三維模型；第二種方法是通過(guò)使用高能激光融化合金材料，再一層層地熔結(jié)形成三維模型。

(4）后期處理加工

每個(gè)模型在打印完成之后表面都會(huì)有變得粗糙或者產(chǎn)生殘留、出現(xiàn)毛刺的現(xiàn)象，這都需要對(duì)模型進(jìn)行再加工，比如修整、打磨、固化處理等。

2 3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 3D 打印在生物醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D 打印能夠制作人體器官的替換品。3D 打印技術(shù)可以打印出人體的骨骼，也就是我們常說(shuō)的人造骨骼，這種骨骼不僅可以代替原本的骨骼讓肌肉生長(zhǎng)，還能修復(fù)之前骨骼細(xì)胞的損傷，待原本的骨骼生長(zhǎng)完全之后，它還可以在身體里面自然地和肌肉溶解在一起，不會(huì)給人體造成壓力，也不會(huì)產(chǎn)生副作用。2013 年，世界上首例使用3D 打印制作骨骼的人造下顎成功地替換了受損骨骼，病人成功得到了救治。

2.2 3D 打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展

在航天航空方面，有許多先進(jìn)的零件需要加工，而我們現(xiàn)有的技術(shù)還不足以加工很復(fù)雜的零件，因此，3D 打印技術(shù)就能彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)上的缺陷，制造精密熔模鑄造的原型。在中國(guó)突破了超高強(qiáng)度鋼、鈦合金等難加工的大型復(fù)雜重要部件的關(guān)鍵技術(shù)，在其他國(guó)家，3D 打印技術(shù)能夠給波音公司制造出幾百種復(fù)雜的零部件。2013 年，美國(guó)一研究人員利用3D 打印技術(shù)，使用高功率激光束將細(xì)金屬粉末進(jìn)行熔化并融合成3D 打印發(fā)動(dòng)機(jī)噴射器，并測(cè)試成功，此次測(cè)試的成功解決了噴射器制作工作量大、制作時(shí)間長(zhǎng)、成本高等傳統(tǒng)工業(yè)遇到的問(wèn)題。

3 3D 打印技術(shù)的發(fā)展淺析

3.1 3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

近年來(lái)，3D 打印發(fā)展的愈加迅速，這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，其顛覆了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和供應(yīng)格局，這無(wú)疑促使了現(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)取得顯著性進(jìn)步。不需要傳統(tǒng)的工具，直接呈現(xiàn)出來(lái)的是三維立體物體，可以自動(dòng)地將計(jì)算機(jī)中的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際模型，甚至直接轉(zhuǎn)化為無(wú)需加工的零部件，從而有效的縮短了產(chǎn)品的研發(fā)與制造周期，高效地利用新型材料，幫助3D 打印技術(shù)更好更快發(fā)展。

3.2 3D 打印技術(shù)的缺點(diǎn)及解決辦法

3D 打印作為一種現(xiàn)代新興技術(shù)在給我們帶來(lái)便利的同時(shí)，多方面也存在著一些不足需要去探索糾正。就3D 打印的應(yīng)用范圍來(lái)說(shuō)，雖然應(yīng)用的方面很廣，但仍然有許多不發(fā)達(dá)地區(qū)了解不到3D 打印的具體功能和作用，這項(xiàng)技術(shù)并不能遍及我國(guó)的大部分地區(qū)，3D 打印很難在短時(shí)間內(nèi)遍布各地，得不到良好的發(fā)展。

其次，在技術(shù)方面：常見(jiàn)的熔融沉積技術(shù)精度較差，速度較慢；立體光固化技術(shù)耗材成本較高，強(qiáng)度較低，材料強(qiáng)度和耐久度較低；在環(huán)保和能耗方面，目前市場(chǎng)上普遍使用的3D 打印機(jī)需要連續(xù)工作28 小時(shí)才能打印出一個(gè)大小約30 厘米的不規(guī)則立體塑料模型，在激光燒結(jié)金屬時(shí)，需要將材料預(yù)熱到熔化點(diǎn)，才能使用激光再一層層地掃描，造成了大量的不必要的能源消耗，而被消耗的材料無(wú)法進(jìn)行回收，浪費(fèi)了許多材料。

總的來(lái)說(shuō)，3D 打印出現(xiàn)問(wèn)題的根本原因大多數(shù)是發(fā)生在打印材料本身上的，這就需要研究者進(jìn)一步對(duì)打印技術(shù)的材料進(jìn)行全面的研究。

針對(duì)我們目前對(duì)3D 打印材料出現(xiàn)的問(wèn)題，需要從以下幾個(gè)方面來(lái)解決：

(1）對(duì)現(xiàn)有的可以進(jìn)行3D 打印材料的性能加深了解，從而剖析其真正的實(shí)用性。例如材料的密度、強(qiáng)度、耐腐蝕性、熔點(diǎn)和物理性能等。由于3D 打印技術(shù)應(yīng)用的范圍較廣，模型不同，工藝要求就不同，材料就不同，各取所需。

(2）繼續(xù)開(kāi)發(fā)新型材料，比如許多優(yōu)質(zhì)的合金材料、復(fù)合材料、納米材料、梯度材料等，讓越來(lái)越多的材料都可以實(shí)現(xiàn)3D 打印。材料的性質(zhì)對(duì)3D 打印技術(shù)的發(fā)展起著無(wú)庸置疑的關(guān)鍵作用。為使得3D 打印技術(shù)能夠更加環(huán)保節(jié)能的發(fā)展，還可以充分發(fā)揮利用新能源的優(yōu)勢(shì)，將3D 打印技術(shù)與太陽(yáng)能能源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)3D 打印技術(shù)和太陽(yáng)能能源之間的相互利用。

(3）給3D 打印制定專業(yè)的行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的橋梁和紐帶。國(guó)家工信部在2015 年2 月聯(lián)合發(fā)改委及財(cái)政部發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016 年）》，明確指出我國(guó)3D 打印技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)及方向，主要核心技術(shù)還有待突破，許多器件、工藝，設(shè)備等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善。

4 總結(jié)

3D 打印是一種快速生成技術(shù)，對(duì)不少領(lǐng)域的發(fā)展都起了舉足輕重的作用。本文對(duì)3D 打印技術(shù)的原理過(guò)程進(jìn)行了介紹，還對(duì)3D 打印技術(shù)在三個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，比較詳細(xì)地在幾個(gè)方面分析了其優(yōu)勢(shì)和不足，并指出關(guān)于3D 打印技術(shù)問(wèn)題解決的關(guān)鍵是3D 打印材料的不完善?？傊矐n參半，3D 打印技術(shù)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，還需權(quán)衡利弊，繼續(xù)努力。雖然現(xiàn)有的技術(shù)不能完全推動(dòng)3D打印技術(shù)良好發(fā)展，3D 打印也面臨著很多困難，但我們要相信，隨著社會(huì)的飛快進(jìn)步，很多問(wèn)題都會(huì)迎刃而解的。