3D打印設備的發展及應用

杜崇銘 林湖彬 張 姿 鄧淑玲 林志丹

（1.惠州市昌億科技股份有限公司，廣東 惠州516000；2.暨南大學，廣東 廣州510632）

20多年前，3D打印技術在美國誕生，隨后一系列相關技術和設備相繼推出并被廣泛應用。1988年美國出現了第一臺商用光固化成型機SLA250，3D打印設備在短時間內得到了迅速的發展。依托高校的產學研項目和企業的自主創新，中國成為繼歐、美之后第3個可以生產3D打印設備的國家。根據Wohlers Associates2012年度報告，世界主要國家和地區設備制造企業生產3D打印設備的情況為：美國72.9%，歐洲10.2%，以色列9.3%，日本3.7%，中國3.6%[1]。

1 3D打印設備在日常生活的發展

近年來，隨著3D打印設備的微型化和桌面化，價格實惠的桌面型3D打印機越來越受到人們的青睞[2]。這類設備結構簡單，使用便利，容易維護，材料性價比高，成型過程快捷，零件成本較低且對環境無污染，因而廣泛用于個人藝術設計。今年美國CES展會（International Consumer Electronics Show）上，3D Systems公司一口氣推出了6款新機，其中家用型的第三代Cube打印機支持ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）和PLA（聚乳酸）材質，可以打印152mm×152mm×152mm大小的物件，可以實現20種顏色打印，每層分辨率為75微米。還有一款陶瓷3D打印機和ChefJet食品打印機，可以打印出陶瓷物件和食品。3D MakerBot公司推出的適合家用的MAKERBOTREPLICATOR MINI支持PLA材質，可以打印100mm×100mm×125mm大小的物件，分辨率為200微米[3]。美國紐約康奈爾大學也成功研制了食物制造設備——“3D食物打印機”，將食材和配料預先放入容器（墨盒）內，只需要輸入所需食譜，通過所配套的CAD軟件就能把美食“打印”出來。用“3D食物打印機”制作食物，可縮減從原材料到成品的環節，方便廚師創作新菜品，制作出更多個性美食。不難發現，3D打印機的打印精度大大提高，不再局限于單一材料或單一顏色，且具有更大的打印空間，離我們的日常生活越來越近。

2 3D打印設備在醫療行業的發展

3D打印技術在醫療方面的運用主要包括：快速制作人體奇怪模型、作為手術植入體、口服控釋給藥、改良藥物測試、電子醫療器械市場等[4]。據報道，3D打印公司3D Systems開發了一套結合了3D打印部件配備電動元器件幫助癱瘓者站立和行走的自動套裝。3D Systems稱之為Ekso-Suit,它適應使用者的腿和后背來支撐自然行走的動作，是“第一款3D打印混合外骨骼自動套裝”[5]。3D打印功能與機器人技術的結合，開辟了全新的領域從而更好的為人類服務。英國專家研發的3D打印技術成功打印出了細胞，這意味著病入膏肓的病人可輕易獲得肝臟、心臟或其它器官。威爾·休博士帶領赫瑞·瓦特大學研究小組開發了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機，可打印高度活細胞，包括組織再生的首例人體胚胎干細胞打印。據英國媒體報道，格拉斯哥大學的研究團隊對3D打印機進行改良，在其中加入裝有化學藥品的容器。經改造，這部3D打印機相當于擁有一個小型的“反應件”，可合成用戶所需藥品。3D打印設備在醫療行業的發展已超出我們的想象，如果3D打印技術供應商同醫院建立合作關系，技術與設備的良好結合必能為該行業創造更高的價值。

3 3D打印設備在工業的發展

2011年，由一個特制3D打印機層疊建造的世界首款打印汽車“Urbee”問世。隨后，英國的歐洲航空防務和航天公司采用3D打印機制造出了世界上第一輛打印自行車“空氣單車”。隨著3D技術的發展，SD300Pro型三維立體打印機被研究開發，并快速應用于工業設計、機械制造、汽車零部件制造和軍工等[6]。該設備是以PVC塑料薄膜為主材，采用LOM（疊層實體制造）成型方式。SD 300Pro打印機體積小巧,操作簡便，無需復雜的設定，超快速成型，打印出的產品精密又堅固。以色列的Ziv-AV Engineering公司用SD300pro打印出了折疊自行車，德國Encee公司發揮SD300pro的三維快速成型能力將客戶要求的塑料卡扣概念在幾小時內變為實體。ISCAR公司以SD300pro作為行銷工具，打出放大的模型，供客戶了解其內部機件工造和工程原理的展示。在國內，西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭，成型精度達到了0.2mm；中國科技大學研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造業、光電器件領域得到應用[7]。RepRap公司的3D打印機——Zmorph獨特的設計使得擠出機容易安裝拆卸，可打印ABS、PLA、尼龍、聚碳酸酯和陶瓷等，打印速度快且效率高。3D設備的發展必將推動工業的飛速發展。

4 3D打印設備在IT行業的發展

迪士尼一研究團隊利用3D打印技術，在與有機玻璃具有同樣效果的高透光塑料上，以低廉造價打印出了LCD屏幕與多種傳感器，這無疑是3D打印技術在IT行業應用中的新突破。在娛樂藝術領域，3D打印機可根據電子游戲、三維動畫以及其它創造產生的三維數據輕松制作自定義頭像和雕像[8]。近年來，3D打印服務開始在圖書館興起，據不完全統計，截至2013年4月，世界范圍內（不包括中國）已有51家圖書館擁有3D打印設備。達爾豪圖書館采用的是MakerBot Replicator 2型的3D打印機，可以打印出10種顏色，打印文件一般要求是STL格式，其它格式可以通過免費軟件MeshLab進行轉化[9]。國內首家引進3D打印機的公共圖書館是上海圖書館。隨著技術的成熟，應用于IT行業的3D打印設備也將進一步發展。

5 結語

3D打印設備在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持方面已有顯著的提高，但還有待進一步提升以滿足各個行業的需求。

［1］Wohlers Associates Inc.Wohlers report 2012[R].2012.

［2］鄧超.沒長大的3D打印[J].創業家,2012(12)：118-121.

［3］肖遙.從CES 2014展會看家用3D打印機的發展[J].知識就是力量,2014(04)：62-63.

［4］向順祿,楊冬東,何可,黃長青,柏才敏.3D打印技術在醫學方面的應用及畜牧獸醫領域的展望[J].獸醫向導,2013(9)：72-74.

［5］3D打印外骨架幫助癱瘓用產再次行走[EB/OL].http：//art.china.cn/products,2014-03-26.

［6］蔡忠國,王超,張若雷,章國金.一種新型LOM成型工藝3D打印設備簡介[J].科技資訊,2013(15)：116.

［7］王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業,2012(26)：3-5.

［8］古麗萍.蓄勢待發的3D打印機及其發展[J].數碼印刷,2011(10)：64-67.

［9］Library of Dalhousie University.3D printing[EB/OL].[2013-12-06].http：//libraries.dal.ca/locations_services/services/3d_printing.html.