走近3D打印技術

朱奕盈

關鍵詞：3D打印機

3D打印（3D printing）技術又稱三維打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。

自從1986年，Charles Hull開發了第一臺商業3D印刷機，到如今經歷了將近30年的時間。在這段時間內3D打印技術迅速發展，為我們的生活和工業帶來了巨大的改變。

1 3D打印技術原理

3D打印技術每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環利用。

3D打印技術使用膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。

2 技術分類

（1）3DP技術

采用3DP技術的3D打印機使用標準噴墨打印技術，通過將液態連結體鋪放在粉末薄層上，以打印橫截面數據的方式逐層創建各部件，創建三維實體模型，采用這種技術打印成型的樣品模型與實際產品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。

FDM熔融層積成型技術：FDM熔融層積成型技術是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓信息，將材料選擇性地涂敷在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精度較高，主要適用于成型小塑料件。

（2）SLA立體平版印刷技術：SLA立體平版印刷技術以光敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截面信息在液態的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，然后在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，直至得到三維實體模型。該方法成型速度快，自動化程度高，可成形任意復雜形狀，尺寸精度高，主要應用于復雜、高精度的精細工件快速成型。

（3）SLS選區激光燒結技術：SLS選區激光燒結技術是通過預先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），然后讓激光在計算機控制下按照界面輪廓信息對實心部分粉末進行燒結，然后不斷循環，層層堆積成型。該方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣，成本較低，成型速度快，主要應用于鑄造業直接制作快速模具。

（4）DLP激光成型技術：DLP激光成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似，不過它是使用高分辨率的數字光處理器（DLP）投影儀來固化液態光聚合物，逐層的進行光固化，由于每層固化時通過幻燈片似的片狀固化，因此速度比同類型的SLA立體平版印刷技術速度更快。該技術成型精度高，在材料屬性、細節和表面光潔度方面可匹敵注塑成型的耐用塑料部件。

（5）UV紫外線成型技術：UV紫外線成型技術和SLA立體平版印刷技術比較相似類似，不同的是它利用UV紫外線照射液態光敏樹脂，一層一層由下而上堆棧成型，成型的過程中沒有噪音產生，在同類技術中成型的精度最高，通常應用于精度要求高的珠寶和手機外殼等行業。

3 3D打印的應用

1.工業制造：

產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證；制作模具原型或直接打印模具，直接打印產品。3D 打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產品已問世。3D 打印的家用器具模型，也被用于企業的宣傳、營銷活動中。

2.文化創意和數碼娛樂：

形狀和結構復雜、材料特殊的藝術表達載體。科幻類電影《阿凡達》運用3D 打印塑造了部分角色和道具；3D 打印的小提琴接近了手工藝的水平。3D照相館也出現在我們的生活中。隨著配套產品3D掃描儀的迅速發展，我們可以把我們身邊的出現的實體，通過3D打印技術為我們所有。可以通過互聯網資源，利用數據庫，以及開源軟件，自己就可以打印自己喜歡的物體。可以促進我們靈感的發揮。

3.航空航天、國防軍工：

復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構的直接制造。

4.生物醫療：

3D打印技術在醫療器械領域應用，它可以直接生成器官結構，人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。打印出立體模型，醫生據此判斷、實施復雜的手術。患者的心臟手術非常復雜，醫生需要根據需要選擇適合型號的醫療器械。在術前，打印出患者的心臟模型，醫生可以對患者的心臟結構有了更精確的判斷，研究、選擇好要放置的PDA封堵器，再加上嫻熟的技術能大大提升治療成功率，使很多原本不可能的手術成為可能。新興的生物三維打印機也面臨著諸多挑戰，其中之一是其打印出的物體如何與身體其他器官尤其是大的組織更好地結合，因為任何打印出來的器官或身體組織都需要同身體的血管相連，而這可能非常難實現。一旦克服了這個技術障礙，在未來幾十年內，生物打印技術將成為一項標準技術。

5.消費品：

珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY 作品的設計和制造。

6.建筑工程：

建筑模型風動試驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬。2015年7月17日，一棟3D打印出來的兩層精裝別墅亮相西安，引起眾人驚嘆。據介紹，這棟別墅只花3小時就建成了，只需一臺起重機將獨立的客廳、臥室、廚房、衛生間等模塊吊起來拼接安裝，不到3個小時，這棟兩層精裝別墅就落成了。

7.科學研究：

美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D打印技術做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同時還做了比例縮減，更適合研究。

9.文物保護：博物館里常常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時復制品也能將藝術或文物的影響更多更遠的人。

10.食品行業：研究人員已經開始嘗試打印巧克力了。或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D打印機“打印”出來的。當然，到那時可能人工制作的食品會貴很多倍。

11.個性化定制：基于網絡的數據下載、電子商務的個性化打印定制服務。

制約發展的因素

技術因素

現在三維打印技術的精度約為0.1毫米，而且打印機本身的售價偏高，對于打印一些高精度實體，存在較大誤差，由于技術原理等因素使得3D打印出的實體硬度有待于進一步考究。

耗材

限制3D打印技術發展技術的一個關鍵要素就是材料，材料的昂貴使得打印出來的東西沒有較高的性價比，以及材料的粘度是否達到要求，都限制著3D打印技術的普及和推動。

安全與道德因素

3D打印機可制作槍支，安全問題引發爭議，從網上免費下載示意圖，然后在3D打印機上制作槍支，所有一切都只通過點擊按鈕完成。點擊打印，然后走開，幾小時后你就擁有一支槍了。這樣制作槍支不需要接受背景調查，沒有年齡限制，槍支身上也不需要刻上序列號或需要跟蹤槍支去處的銷售收據。所以3D打印技術帶來的安全問題也是存在爭議的，未來如何發展，還需進一步明確。

到目前還沒有相關的法律法規對3D打印機做相關的要求，比如3D打印一定會成為趨勢，不過以后會不會出現與克隆方面的道德問題，讓人憂心。

3D打印需要更多的法律方面的規定，不然就有可能在非法領域進行應用。這點，新加坡做的很好，已經出臺了政策。

沒有實現統一標準化

聯合國尚未對3D打印行業建立統一的共性標準。由于使用3D打印技術制造產品的特點為小批量，個性化，這就凸顯行業共性標準的決定性意義。而國內目前整個行業尚處于一個整合度較低，比較無序的階段。這大大制約了3D打印在國內的大規模商業化進程。

面對如此多的限制因素，我們需要更加努力不斷完善不足，以便讓3D打印技術為我們帶來更大的利益。