3D打印技術的現在與未來

譚晗

摘要：3D打印技術作為快速成型領域的一種新興技術，目前正迅速發展，并受到社會的廣泛關注。文章簡要闡明了3D打印技術的基本原理，介紹了它所依托的關鍵技術，分析了我國3D打印技術的發展現狀，并對其未來的發展趨勢作了展望。

關鍵詞：3D打印技術數字模型現狀發展趨勢

中圖分類號：TP391.73

1986年，美國科學家查克赫爾開發了第一臺商業3D印刷機，此為3D打印技術誕生的標志。但直到20世紀90年代才被關注，應用也主要局限在制造業、航空業等領域，那時叫“快速成型”技術。直到2010年11月，世界上的第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世，3D打印才引起廣泛關注。目前全球已有不少公司推出了個人3D打印機，它已在日常生活中開始普及。傳統制造技術可謂是“減材制造技術”，而3D打印則是“增材制造技術”，它具有制造成本低、生產周期短等明顯優勢。因此，3D打印技術將與其他數字化模式一起，推動第三次工業革命的進一步發展。

一、3D打印技術簡介

3D打印是快速成型技術的一種，它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。

3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。3D打印機是這一技術應用的核心設備。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層一層地疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

目前，3D打印技術常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。它被逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶制作、工業設計、藝術創作、航空航天和地理信息系統等領域都有所應用。除此以外，在醫療產業、建筑設計、服裝設計等領域，這一技術的引入也為創新開拓了廣闊的空間。如2010年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫學領域具有重大意義的創新。

二、3D打印所需的關鍵技術

3D打印需要依托多個學科領域的尖端技術，至少包括以下幾個方面：

首先，在信息技術方面，要有先進的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產品的三維數字模型，并且根據模型自動識別出打印的幾道工序，以方便自動控制打印器材的走向。

其次，在精密機械方面，3D打印以“每層的疊加”為工作方式，因此，要生產高精度的產品，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求，以確保疊加后的效果能符合人們的預期。

再次，在材料科學方面，用于3D打印的原材料比較特殊，要求必須能夠液態化、粉末化和絲化，在打印完成后又能重新結合起來，這一過程對于原材料具有合格的物理和化學性質方面提出了比較高的要求。

三、我國3D打印技術的發展現狀

近年來，我國積極探索3D打印技術的研發，初步取得成效。自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學等高校，在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發、3D打印工業應用研究等方面，開展了積極的探索，并取得了一些關鍵性的突破。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能，有望率先應用于航天、航空設備制造；生物細胞3D打印技術取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫學領域尖端科學研究提供了關鍵技術支撐。而高校在技術研發過程中，通過專利授予和技術入股等方式成立公司，加快了3D打印技術成果的產業化。目前，國內涌現出數十家3D打印制造設備與服務企業，已初步形成小規模的產業市場。3D打印產業正成為投資熱點。不少原來從事數字化技術、材料技術、精密機械技術的企業紛紛考慮投資開發3D打印設備生產和服務。目前，中國已成為美國、日本、德國之后的3D打印設備擁有國。

當然，目前我國3D打印產業尚處于起步階段，存在一些影響3D打印產業快速發展的問題。首先是缺乏宏觀規劃和引導。3D打印技術涉及的各大領域，也屬于新能源新技術的研發行列中年，但在我國工業轉型升級、發展智能制造業、進入創新型國家的相關規劃中，對3D打印這一交叉學科的技術總體規劃與重視不夠。其次，企業對技術研發投入顯得不足。我國雖已有幾家企業能自主制造3D打印設備，但企業規模普遍較小，研發力量不足。在加工流程穩定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術等諸多具體環節，存在缺陷，難以完全滿足制造的需求。

四、3D打印技術未來的發展趨勢

3D打印技術將淘汰傳統生產線，縮短制作周期，大大減少生產廢料，所需原材料用量即將減少到原來的三分之一甚至更少。這一技術在節約成本，提高制作精密度的基礎上，還彌補了傳統制造的諸多不足。它將在民用市場迅速推廣，開啟制造業的新的歷史開端，并同時為印刷工業帶來機遇。

隨著智能制造的進一步發展成熟，新的材料技術、控制技術和信息技術等不斷被廣泛應用在制造業領域，3D打印技術也將被推動式地發展。將來，3D打印技術的發展將體現出通用化、智能化和精密化等主要的趨勢。3D打印技術的速度和尺寸在不斷提高，其技術在不斷優化，應用領域在不斷擴展，特別在圖形藝術領域，三維模型能夠更好地將制作者的想法意圖表達出來。一張圖可以勝于成百上千個文字的描述。專業人士堅信，個性化或定制化的3D打印可以將一個所想象的三維模型很快呈現在眼前，能夠以最快的速度對現有產品進行改進，增長的幅度將超出人們的想象。總之，3D打印技術將會極大地改變社會各種應用的未來！

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