3D打印技術(shù)及其應(yīng)用

張彥芳

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214121）

3D打印作為一種新型的快速成型技術(shù)，目前正受到越來(lái)越多的關(guān)注。2012年英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志制作專題論述了當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷的第三次革命，認(rèn)為這次革命是互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結(jié)合的工業(yè)革命，3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，將成為改變未來(lái)世界新的創(chuàng)造性科技。

1 3D打印的原理

3D打印技術(shù)是添加制造技術(shù)的一種形式，它采用分層加工、迭加成形，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體，3D打印機(jī)是它的核心設(shè)備。3D打印技術(shù)是一種綜合性的應(yīng)用技術(shù)，它綜合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的技術(shù)。3D建模是3D打印的前提，3D建模的質(zhì)量直接決定了3D打印模型的質(zhì)量。CAD等矢量建模軟件可以實(shí)現(xiàn)3D建模。3D打印首先將建立的3D模型進(jìn)行分割，即將模型分割成一層一層的薄片，薄片的厚度一般為幾十微米到幾百微米不等。軟件完成分割工序后，3D打印機(jī)即可進(jìn)行噴墨打印。每一層的打印分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，然后在膠水上噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會(huì)迅速固化粘結(jié)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實(shí)體模型將會(huì)被粘結(jié)起來(lái)，“打印”完成后，需要對(duì)打印的模型進(jìn)行后處理，例如固化處理、剝離、模型的修整等，最終得到所需要的模型[1]。

與傳統(tǒng)模型制作相比，3D打印具有制作精度高和制作周期短等顯著優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)的歷史由來(lái)已久，歷經(jīng)30年的發(fā)展，3D打印技術(shù)正逐步成為最有生命力的先進(jìn)制造技術(shù)之一，目前已實(shí)現(xiàn)在0.01毫米的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600dpid精細(xì)分辨率，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印。3D打印的材料也逐漸擴(kuò)展到金屬、塑料、陶瓷和高分子聚合物等[2]。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)3D打印產(chǎn)業(yè)獲得了飛速發(fā)展。《Wohlers Report 2011》顯示，全球3D打印技術(shù)產(chǎn)值在1988至2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為17億美元，預(yù)計(jì)到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到31億美元。如今，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)涉及到很多領(lǐng)域。

2.1 航空、汽車和電子制造領(lǐng)域

3D打印技術(shù)適應(yīng)用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原材料昂貴的結(jié)構(gòu)制造，因此在航空、汽車和電子制造領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在外形驗(yàn)證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模具鑄造的原型制造。歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。波音公司利用三維打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件[3]。2011年，英國(guó)南安普頓大學(xué)工程師使用3D打印技術(shù)制造出世界首架無(wú)人駕駛飛機(jī)[4]。在汽車制造行業(yè)，3D打印技術(shù)多用于制造汽車的零部件。Kor Ecologic公司近日推出世界第一輛從表面到零部件都由3D打印制造的汽車“Urbee”，它的大部分零部件是使用3D打印技術(shù)完成，顯示出3D打印技術(shù)的強(qiáng)大威力。在電子制造方面，我國(guó)國(guó)內(nèi)多所高校開(kāi)展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)，中國(guó)科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2 生物工程與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

近年來(lái)，3D打印技術(shù)已應(yīng)用到生物制造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2009年，美國(guó)ganovo公司首次使用3D打印技術(shù)制造出人造血管[4]。2010年澳大利亞Invetech公司和美國(guó)Organovo公司合作，嘗試以活體細(xì)胞為“墨水”打印人體的組織和器官[5]。英國(guó)赫瑞瓦大學(xué)和一家干細(xì)胞技術(shù)公司合作，開(kāi)發(fā)出一種真空閥門(mén)式3D打印技術(shù)，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細(xì)胞范圍。這一突破使得利用人類胚胎干細(xì)胞來(lái)打印移植用于人體組織和器官稱為可能，相關(guān)論文發(fā)表在2013年2月出版的《生物制造》雜志上。

2.3 服裝和首飾等設(shè)計(jì)領(lǐng)域

2011年，荷蘭時(shí)尚設(shè)計(jì)師Iris van Herpen在巴黎時(shí)裝周上展示了由3D打印技術(shù)完成的服裝，開(kāi)辟了全球時(shí)尚界的新時(shí)代。3D打印技術(shù)不僅使以往布料難以詮釋的立體造型得以完成，更實(shí)現(xiàn)了服裝的完全服帖身形訂制。除服裝設(shè)計(jì)外，講求時(shí)尚外形的家裝、制鞋和藝術(shù)創(chuàng)作都可成為3D打印的用武之地。2011年，materialse公司提供以14K金和純銀為原材料的3D打印服務(wù)。3D打印技術(shù)正成為設(shè)計(jì)師創(chuàng)作的重要工具。

2.4 建筑領(lǐng)域

3D打印技術(shù)日益完善，不僅可以打印小件物品，這項(xiàng)技術(shù)業(yè)已沖擊到傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。2011年3月，materialse公司打印出一個(gè)微細(xì)的工廠模型，植物燃?xì)夤綥inde AG的微縮工廠縮小模型被完全逼真的打印制作出來(lái)。2013年1月，荷蘭建筑師與意大利發(fā)明家合作，計(jì)劃打印出一些包含沙子和無(wú)機(jī)粘合劑的6×9（米）的建筑框架，然后用纖維強(qiáng)化混凝土進(jìn)行填充，該工程預(yù)計(jì)在2014年完成，并將參加Europan競(jìng)賽。

2.5 個(gè)性化產(chǎn)品創(chuàng)作領(lǐng)域

3D打印技術(shù)可以打印各種日常小模型，這些模型不同于大批量的流水化產(chǎn)品，它可以完成隨心所欲的個(gè)性化設(shè)計(jì)。2011年，University of Exeter的研究人員設(shè)計(jì)了一臺(tái)可以打印巧克力的3D打印機(jī)。紐約一家創(chuàng)意消費(fèi)品公司通過(guò)在線征集用戶的設(shè)計(jì)方案，以3D打印技術(shù)制成實(shí)物產(chǎn)品并通過(guò)電子市場(chǎng)銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品。另外，BCC報(bào)道了3D打印機(jī)打印出個(gè)性化的3D巧克力。

隨著3D打印技術(shù)的日趨成熟和3D打印材料的擴(kuò)充，我們相信3D打印將會(huì)帶給我們更多的驚喜和沖擊，3D產(chǎn)品將會(huì)在我們的生活中觸手可及。

［1］劉欣靈.3D 打印機(jī)及其工作原理[J].網(wǎng)絡(luò)與信息，2012，2：30-30.

［2］王燦才.3D 打印的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].絲網(wǎng)印刷，2012，9：37-41.

［3］楊恩泉.3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013，1：13-17.

［4］黃健，姜山.3D 打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013，1：62-67.

［5］王雪瑩.3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景預(yù)見(jiàn)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5.