3D打印技術的研究與應用述評

鄭金庫++梁起瑞++周浩++謝啟強++馬建軍++吳金卓

文章編號：2095-6835（2016）13-0001-03

摘 要：作為一種快速成型的先進制造技術，近年來，3D打印技術得到了各行各業的廣泛關注。基于國內外有關3D打印技術的研究和應用，介紹了3D打印技術的定義，分析了3D打印技術的特點，并分別從國內外不同領域總結了3D打印技術的應用情況，最后指出了我國在3D打印技術方面的發展潛力，并提出了相應的發展建議。

關鍵詞：3D打印；材料類型；打印過程；技術優勢

中圖分類號：TP334.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.001

隨著科學技術的迅速發展，傳統的制造技術已經不能滿足人們的使用需求，于是，開始尋求一種新型的制造方法。3D打印技術便在此背景下應運而生了。人們基于傳統的二維打印技術，大膽創新，將二維打印技術擴展到三維領域，將噴墨式打印機平面化的圖案、文字采用原材料逐層堆疊的方式生產出三維立體實物。近年來，3D打印技術的發展已經引起很多國家的重視，它頻繁地出現在各大主流媒體中。3D打印技術被稱為全球第三次工業革命的重要標志之一，它對傳統制造業的生產方式產生了巨大的影響。本文在分析3D打印技術特點的基礎上，總結了其在國內外不同行業的應用情況和發展前景，并為我國3D打印行業的發展提出了相關建議。

1 3D打印技術

1.1 概述

3D打印技術起源于20世紀90年代，它是一種快速成型的先進制造技術。由于其制造特點，它又被稱為“增材制造技術”。其原理可以概括為逐層打印和層層堆疊。實現3D打印的方法有很多，比如熔融沉積式（Fused Deposition Modeling，FDM）、直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、石膏3D打印（Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing）、分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、數字光處理（Digital Light Processing， DLP）等，具體如表1所示。其中，最常見的是熔融沉積式（Fused Deposition Modeling）。材料是3D打印的物質基礎，在實際應用中，往往需要結合制造方法的特點來選擇合適的打印材料。目前，可以用于3D打印的材料主要有五大類，分別是工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料。

1.2 3D打印的過程

3D打印主要包括4個環節，即三維建模、模型分層、逐層打印和后期處理。

1.2.1 三維建模

使用AutoCAD等三維繪圖軟件為打印對象的三維數據建立模型，或者可以利用一些專業的3D掃描儀掃描所要獲取對象的三維數據，將數據以數字化的方式導入計算機內生成虛擬模型。

1.2.2 模型分層

3D打印機無法直接讀取3D模型數據的命令，所以，需要依靠與打印機相適配的專業軟件將輸入的3D數據模型在Z方向上分成若干薄層。薄層的厚度由打印機的種類和特性決定。

1.2.3 逐層打印

根據分層后的模型，3D打印機將準備好的原材料均勻地涂抹在X-Y平面內，材料黏結成截面的形狀，然后在該層截面上涂抹下一層，如此往復。

1.2.4 后期處理

因為模型是逐層打印的，現有的3D打印機并未達到10 um的精度，所以，模型的表面比較粗糙，甚至會有毛刺。打印出的模型往往需要經過后期處理，在模型表面打磨、修整、上色，最后形成成品。

2 3D打印技術的特點

2.1 3D打印的優勢

2.1.1 節約材料

工業上，傳統的材料加工方法實際上是一個去除材料的過程，材料利用率不高，存在資源浪費的情況。而3D打印恰好相反，它是根據已知的三維數據，通過3D打印機逐層打印，增材制造。這樣既免除了制造模具的過程，提高了材料的利用率，又避免了復雜的鍛造工藝，達到了優化生產工序、節省材料和能源的目的。

2.1.2 降低生產成本

與傳統制造工藝不同，3D打印技術不需要各種機械加工或模具，只有一個生產工序，即通過已知的三維結構數據打印制造。這極大地簡化了生產工藝，摒棄了傳統的生產線，縮小了車間設備的占地面積，減少了能源的使用，最終達到降低成本的目的。

2.1.3 可制造復雜結構

對于一些結構復雜的物體，傳統的制造方法程序繁雜，不易制造。而對于3D打印而言，將要打印的物體的三維數據輸入計算機中，無論其模型結構多么復雜，都可以輕松地制造出模型，使設計想法不再受有限的制造能力的禁錮。

2.1.4 直接制造

3D打印技術是將設計好的模型三維數據通過計算機轉化為SLT的格式輸入到打印機中，打印機接收到數據指令后就會將預備好的原材料逐層涂抹，直接堆疊出設計模型。它不需要其他傳統的各種專業生產設備或事先制備模具等，極大地縮短了生產對象的研制和加工周期。

2.2 3D打印的不足之處

2.2.1 打印材料單一

打印材料一直是阻礙3D打印技術發展的一個重要問題。盡管目前已經開發出多種可以利用的3D打印材料，但是，它們還不能滿足某些特定的物品屬性，仍需不斷研發。另外，一些材料的3D打印技術還不夠成熟，比如金屬材料打印。由于其熔點高，涉及固液相變等多個物理過程，所以，在打印時，存在穩定性不足的問題。

2.2.2 精度有待提高

目前，市場上3D打印機的分辨率能夠達到600 dpi。即使是普通的3D打印機，其精度基本上控制在0.3 mm以下，打印厚度只有0.01 mm。這個精度已經能夠滿足普通打印對象的要求，但是，對于一些非常精密的特殊打印產品還是不夠的，例如照相機的鏡頭。

2.2.3 效率比較低

在目前的科技水平下，3D垂直打印速率能夠達到25 mm/h的厚度，實現24位色彩的彩色打印。對于單一物體的打印，這樣的速度差強人意，距離實現快速批量生產的目標還遠遠不夠。在此需要注意的是，提高打印精度與提高打印效率二者是矛盾的。而如何同時提高這兩者是下一步需要解決的問題。

2.2.4 造價居高不下

3D打印機的制造成本與其打印精度密切相關。打印機的精度越高，造價就越高。市場上3D Systems的高精度3D打印機要90萬元，即使桌面級3D打印機也要幾千元。如何讓3D打印機走進千家萬戶，降低打印機的造價也是日后需要解決的問題之一。

3 3D打印技術在國內外的應用研究

3D打印技術已經被應用于國內外的諸多行業中都，包括生物醫療、食品加工、航空航天、土木建筑、工業設計、機械制造等。只要能夠提供物品的三維模型，就可以三維打印任何物品。隨著3D打印技術的不斷發展，它將在更多的領域中發揮作用。

3.1 生物醫療領域

3D打印技術在醫學領域發揮的作用越來越重要。3D打印技術在醫學方面的應用包括醫用模型制作、臨床手術、組織器官修復和研制新型藥物。目前，在醫療教育的過程中，使用的醫用模型制作工序繁雜且耗時長，制作原料以石膏為主，所以，在使用過程中容易被損壞。而經過3D打印制作的醫用模型可以選擇多種不同的材料，可以較好地解決這個問題。同時，對于一些特殊模型，應用這項技術也可以快速制作出來。在臨床醫學外科手術中，醫生可以利用CT掃描患者的手術部位，將掃描后的三維數據通過3D打印機將患者手術部位打印出來，使醫生更直觀、細微地觀察患者病灶的結構，提高手術效率和成功率。我國東北林業大學三維數字化技術研究所已與哈爾濱市醫大一院、二院等多家大型醫院合作，利用3D打印技術聯手開啟醫療新時代，讓醫生可以在術前模擬切割，使手術過程更加順利。另外，3D打印技術也為器官移植開啟了新思路。3D打印技術將人們熟知的塑料、樹脂等原材料更換成生物相容性細胞、信號分子、支架材料、生長因子等“生化材料”，通過計算機設計好組織器官的打印程序，經特殊的打印機制作出相應的人體器官，緩解了器官來源短缺的壓力。現有的技術力量已經能夠打印出骨骼、血管、肝臟等組織，但還無法打印出具有真正生理功能的復雜器官。

3.2 食品領域

2011-07，英國研發團隊研制出世界上第一臺3D巧克力打印機。這意味著3D打印技術可以在不久的將來改變人們制作食品的傳統方式。對于發展中國家甚至發達國家，保證飲食的健康性、科學性和合理性是當前急需解決的問題。胡迪·利普森等認為，利用3D食品打印技術未來可以實現自身量化飲食，比如糖尿病患者可以上傳血糖數據，然后用軟件計算出下一餐的營養均衡食譜，并將食譜發送給廚房里的3D食品打印機，實現合理飲食，再也不必擔心飲食不合理引發的健康問題。

在太空中時，宇航員食品的營養健康以及如何延長保質期的問題可能會因3D打印機的出現而被解決。宇航員在太空中執行任務時，在飛船艙內固定一臺食品3D打印機，事先儲備好蛋白質、脂肪、維生素、礦物質、維生素、水和膳食纖維等營養成分。這樣原材料的保質期很長，宇航員可以隨時打印所需的新鮮美味食物，避免了食物浪費，同時，設備小巧，占地少。

如今的3D打印技術能夠打印出30多種不同的食物，主要分為六大類，即糖果、烘焙食品、零食、果蔬產品、肉制品和奶制品。由于這種新奇的食品制作方式還不為人們所認可，因此，3D打印食品行業的發展仍然面臨許多問題。但是，可以肯定的是，3D打印與飲食的結合必將改變人們對加工食品的看法，傳統的餐飲業也將被顛覆。

3.3 航空航天領域

近幾年，許多國家將3D打印技術應用到航空航天領域，制造出了高精密的零部件，部分飛機制造公司已經將3D打印技術應用于飛機零部件的制造中，特別是一些形狀、結構復雜的高精度零件。據悉，著名飛機制造商波音公司正致力于打印體積比較大的部件的研究。2001年，Aero Met公司制造了一批適用于殲擊機的鈦合金次承力結構件，其中包括發動機艙推力拉梁、機翼轉到折疊接頭、翼梁等構件，并于2002年成功地完成了激光快速成形鈦合金次承力結構件在某些戰斗機上的安裝試用和飛行考研，還制定出了專門的技術標準（AMS4999）。該零件滿足疲勞壽命4倍的要求，靜力加載到225%也未被破壞。2015年初，全球知名航空發動機制造商GE公司研發出了首款采用3D打印技術制造的飛機引擎零件——T25壓縮機入口溫度傳感器外殼，并順利通過了美國聯邦航空局FAA的認證。該零件的打印材料為鈷鉻合金的微細粉末，具有質量輕和堅固的特點。由此可以看出，越來越多的3D打印技術被應用于航空航天領域中，解決了一些現存的難題。它的出現對這一領域的發展起到了重要的推動作用。

3.4 土木建筑領域

隨著3D打印技術的日臻完善，人們不再只局限于小型物品，開始嘗試體積大的實體打印。2014年，在上海制造出第一批3D打印房屋，打印原材料主要包括高標號水泥、建筑垃圾和玻璃纖維等。打印房屋的工程巨大，在實施過程中還存在許多的問題。一個巨型3D打印設備需要與計算機相連，按照事先設計好的房屋三維圖形，噴嘴會噴出某種黏合物與建筑材料沙子、石灰等鑄成石質固體，每層的打印厚度在10 mm左右。正因其獨特的制造方法，傳統的建筑材料無法滿足3D打印建筑技術的需求，所以，需要研發新型的建筑材料，其組成成分和加工方式都需要改進。目前，輪廓工藝、D Shape、打印混凝土作為三大增材制造工藝，在公共領域尤其是建筑領域有很好的發展前景。其中，輪廓工藝是指將原材料混凝土通過一個大型噴嘴依照計算機中建筑設計圖的位置命令一層層地噴涂，形成建筑的墻體結構。當墻體達到預定的高度后，可將屋頂吊置在墻體上。“輪廓工藝”3D打印技術是由美國宇航局與當地的南加州大學共同研究的，在短時間內就可以打印出大約200 m2的房屋。這項技術不僅節約了建造時間和成本，也為綠色制造打開了一扇大門。目前，3D打印技術在建筑領域的應用尚不成熟，多數科研團隊的研究還局限于建筑設計，距離真正的3D打印房屋還有一段距離，有許多問題需要解決。比如，3D打印建筑材料、打印的房屋抗壓性、強度等還有待考察。總的來說，3D打印建造技術能節省材料，減輕工人的勞動強度，降低勞動成本，具有很好的市場前景，符合國家可持續發展規劃的要求。

4 3D打印技術展望

4.1 國內3D打印技術現狀

目前，我國各大高校、企業已紛紛踏入3D打印行業。我國早期研究3D打印技術的清華大學經過幾年的鉆研，已經在激打印、成型技術、打印材料及其應用方面取得了可喜的成績。

北京航空航天大學、大連理工大學等高校也在不同的快速成型技術研究中取得了不錯的成績。與此同時，內地的一些企業發現了3D打印行業的發展前景及其潛力，正在全力推動3D打印機的推廣和銷售，例如深圳維示泰克、南京紫金立德等企業。然而，這些企業的規模不大，多采用一些國外的技術，其產品性能還無法與國外3D System等公司的產品相媲美。高校有最新的技術力量，企業有著完善的運作系統，因此，國內高校與企業之間合作也是比較常見的。經過幾年的發展，在國家政策的大力扶持下，我國的3D打印技術產業取得了一定的成就。雖然與歐美的一些國家相比有一定的差距，但是，以此發展速度看，在不久的將來，我國的3D打印技術也將進入世界前列，在這個過程中也必將面臨很多困難和阻礙。

4.2 關于3D打印的發展建議

4.2.1 加大扶持力度

我國3D打印技術仍處在發展階段，許多技術性的問題還有待解決。為了使3D打印技術更加完善，國家需要繼續加大對3D產業的扶持力度，投入資金研發新型的打印設備，在現有的3D打印機基礎上，大幅提高打印的精度和效率，繼續開發多樣化的打印材料，整合多類3D打印軟件，實現CAD/CAPP/RP的一體化，進而提高其響應速度。

4.2.2 促進3D打印產業鏈的形成

我國的3D打印產業還不成熟，國家有關部門應當對現有市場進行監督和保護，盡早整合，統一規劃，及時拓展3D打印技術在其他行業的應用，盡快打開市場，加大推廣力度。利用互聯網達到信息的快速交互，將制造商、市場和客戶緊密聯系到一起，形成一條嚴謹的供應鏈，設計者也能通過互聯網達到遠程在線制造的目的，從而促進3D打印產業鏈的形成。

4.2.3 制訂關于3D打印的法律法規

3D打印技術的出現不僅改變了資本和工作的分配模式，還令現今的知識產權出現了“灰色地帶”。3D打印只需要一臺計算機，一部打印設備即可完成，人們只要有相應的三維數據就可以隨意打印，現在還沒有相關完善的法律法規對3D打印產業進行規范化的限制，可能會無法保護研發者的知識產權，出現市場混亂的情況。因此，需要為國內3D打印市場的發展制訂相應的法律法規，使3D打印行業以健康蓬勃的姿態持續性發展。

5 結束語

本文在介紹現今應用比較廣泛的3D打印技術的基礎上，深刻剖析了國內外3D打印技術在技術和經濟性上的研究進展，并指出了我國在發展3D打印技術方面存在的不足。自3D打印技術出現以來，受到了多個國家的廣泛關注，而且也在不斷發展。這項技術對于傳統制造方法的發展有巨大的影響，同時，也為現今其他行業中存在的問題提供了一種新的解決思路和方法。因此，各個國家都在大力發展3D打印技術，相信在未來的幾年里，3D打印技術會更加貼近人們的生活，成為社會發展的新航標。

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作者簡介：鄭金庫（1994—），男，黑龍江哈爾濱人，本科生，

主要從事物流工程方面的研究。吳金卓，女，副教授，博士，主要從事森林工程、物流工程等方面的研究。

〔編輯：白潔〕