3D打印技術的應用與發展探究

商明慧　于帆帆

摘要：印刷和打印技術作為信息傳播的重要方式，以平面圖文信息的形式，為人類的文明和進步做出了重要的貢獻。3D（三維）打印技術是在傳統二維平面印刷打印技術的基礎上，通過逐層二維打印的疊加，在三維立體空間內制造出產品。本文主要講述3D打印技術在各領域中的應用，探索限制3D打印技術發展的瓶頸及其未來發展趨勢。

Abstract： Printing technology is an important way of information transmission. It made an important contribution for human civilization and progress by the plane graphic information. Based on traditional two-dimensional graphic printing technology， 3D （three dimensional） printing technology is superposed by the 2D printing and producted in three-dimensional space. This article mainly expounds the application of 3D printing technology in all fields， explores the bottleneck of the development of 3D printing technology and its development trend in the future.

關鍵詞：3D打印技術；印刷技術；發展前景

Key words： 3D printing technology；printing technology；development prospect

中圖分類號：TS805 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0166-02

0 引言

近年來，我們經常會看到有關于3D打印技術的新聞，“3D打印房屋”、“3D打印金屬手槍”、“3D打印自行車”、“3D打印仿生耳”等等，3D打印自問世以來就得到了廣泛的關注，其應用更是跨越各個領域。2014年11月末，《時代》周刊將3D打印技術列為2014年25項年度最佳發明之一。全球工業分析公司（Global Industry Analysis Inc）的研究報告預測2018年全球3D打印市場將達到29.9億美元。但3D打印技術也面臨著如制造速度與精度、設備和材料成本、產品性能、操作的安全性等多方面的瓶頸和挑戰。提升3D打印的效率和精度，開發更為多樣的3D打印材料是未來的研究熱點。本文主要對3D打印技術的應用和發展趨勢進行了研究和探討。

1 何為3D打印

3D打印（Three Dimensional Printing）始于上世紀90年代，是快速成型技術的一種。美國3D System公司在1986年就制造了第一款3D打印設備。在傳統二維平面印刷打印技術的基礎上，通過逐層二維打印的迭加，利用噴頭的三維運動實現曲面打印，逐層增加材料來生成三維實體，其原理圖如圖1所示。其分層加工的過程與傳統噴墨打印十分相似，樹脂、尼龍、塑料、金屬、陶瓷、混凝土等材料經過特殊處理都可以用做3D打印的“墨水”。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。

2 3D打印技術的應用

目前3D打印技術支持多種材料，可以廣泛應用在工業設計、建筑、家具、航天、醫療和教育等各個領域，其主要具有以下應用特點：

2.1 模具加工與機械制造 如今，3D打印技術已經廣泛應用于機械模具的設計與加工，如圖2A所示。相對于傳統制造技術來說，3D打印技術不需要任何模具或任何機械加工，既省工又省料，如美國F-22猛禽戰斗機在制造過程中會大量使用鈦合金構件，如使用傳統的整體鍛造方法，最大的鈦合金整體加強框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%，幾乎不產生廢料，大大節省了原材料的浪費，降低了生產成本。此外，也可利用3D打印技術實現個性生產，滿足人們的少量和復雜形狀的個性化需求。如個性化藝術家具的定制和專屬個性空間的打造（如圖2B）。

在建筑行業，2014年8月，在上海青浦張江高新園區，盈創建筑科技有限公司用3D打印技術24小時打印了10棟房屋（如圖2C、2D）并交付使用，相關建筑指標均達到國家建筑質量標準，開啟了3D打印建筑的新篇章，將來更有望使用3D打印技術建造整棟別墅。

在航天方面，美國NASA以及國外的一些航天公司已經就3D打印技術在航天上的應用展開了嘗試，2014年第一臺3D打印機在國際空間站上安裝成功，并打印出扳手等機械部件，這臺打印機由Made in Space公司設計制作，該公司是世界首家研究零重力下3D打印技術的公司。而且3D打印為按需施材，減少了材料的浪費，從而降低了生產成本。

2.2 生物醫療 3D打印技術與醫學的結合堪稱醫學史上的創造性舉動。在生物醫學領域，已開始被應用于手術分析策劃、假體植入物的制造、細胞或組織打印等方面。

早在2011年，德國科學家利用3D打印技術成功研制出了一種人工血管（如圖3A），該項目有望被用于人體試驗和藥物試驗。2014年，University College London的研究人員利用生物“墨水”打印出人造耳朵（如圖3B），可用于外科整形。目前這種3D打印耳朵已有成功移植的案例。2015年7月，湖南省腦科醫院利用3D打印顱骨為腦積水患兒縮腦，完成全球首例“全腦縮小塑形”手術。

2.3 考古文物復制 3D打印技術在考古文物領域主要用于修復已經破損的古文物。在應用3D打印技術進行文物修復時，需要使用3D掃描儀掃描破損文物，完成數據采集，并處理數據，建立相應的模型之后進行打印。在電影《十二生肖》中，先是對獸首進行三維掃描，再使用3D打印技術打印了獸首的復制模型，精度和相似度令人贊嘆，且不需后期加工打磨，相信在不久的將來，隨著3D打印技術的不斷發展改進，3D打印技術復制文物的精度定會上升到這個高度，將不再需要后期處理。

2.4 教育行業 3D打印技術也為教育的發展開啟了新的方向，許多教育機構和組織正探索如何將3D技術應用到教育、教學中。以高職教育為例，在高職院校中印刷技術專業、數碼印刷專業、印刷圖文信息處理以及計算機等相關專業都可以考慮引入3D打印技術。

相關專業引入3D打印技術后，可以將人才培養的目標范圍進行延伸和擴大。培養不僅能從事傳統印刷設備和數碼印刷設備的操作，還能使用3D打印機；不僅能完成傳統印刷和數碼印刷的印前制作，還能從事3D打印需要的三維建模設計；不僅能從事傳統印刷和數碼印刷的印刷工藝與生產管理、印刷營銷與業務管理，還能從事3D打印設備的控制和生產管理、營銷和業務管理的人才。學生就業面更寬廣，職業技能更新，更貼合社會發展需要，也必定會推動3D打印設備的發展。另外，3D打印技術可以作為扶持大學生創新創業的一個項目，支持大學生們早日實現創業的夢想，讓剛剛走出校園的甚至還在校內的大學生們勇敢地站在科技發展的前沿，直觀地感受打印技術帶來的影響與進步。

3 3D打印技術未來發展前景分析

與傳統技術相比，3D打印技術擁有諸多優勢。美國總統奧巴馬在2014年國情咨文的演講中強調了3D打印技術的重要性，賦予其制造業復興的重任，提出將推動3D打印產業的發展。在歐美發達國家，3D打印機的研究技術已走向成熟并產業化發展。近年來，隨著2015年《中國制造2025》規劃的實施與頒布，我國對這項技術的重視和產業鏈規劃將進一步加強。

從中長期看來3D打印產業具有較為廣闊的發展前景，但要進一步擴展其產業應用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰：一是設備和耗材方面，現有3D打印機造價普遍較為昂貴，打印耗材的價格每公斤幾百到數萬元不等，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物、石膏等材料，成型品的物理特性較差，金屬材料直接成型技術有待發展。三是工藝方面，目前3D打印的精度及效率還遠不適應大規模生產的需求。四是知識產權方面，3D打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業面對的盜版風險大增，如何針對3D打印技術進行知識產權保護面臨新的挑戰。五是公共安全方面，如3D打印手槍，若可從網絡上下載手槍的三維圖紙，再擁有一臺3D打印機就可以打印并組裝手槍，這一潛在問題需要國家從法律層面進行規范和監督。

4 結束語

3D打印技術作為第三次工業革命的代表性技術之一，越來越受到工業界和投資界的關注。偉大發明所能帶來的影響，在當時那個年代都是難以預測的，1450年的印刷術如此，1969年的互聯網也是如此，3D打印技術更是如此。未來3D打印技術的發展將體現出精密化、智能化、通用化等主要趨勢。隨著信息技術、控制技術、材料技術的進一步發展，制約3D打印技術發展的瓶頸將一一得到解決。3D打印技術也將被推向更高的應用層面。

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