淺談3D打印技術

劉舉新

摘 要：3D打印技術是一種生產率高、成本低的新興技術，有非常廣闊的市場發展前景，本文對其優勢、應用領域、發展現狀及未來前景進行了分析與展望。

關鍵詞：3D打印；優勢；不足；應用領域；現狀；未來前景

中圖分類號：TP334.8；TJ07 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）11-0279-01

一、3D打印簡介

3D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，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產任何形狀的零件，從而極大地縮短，產品的生產周期提高生產率和降低生產成本。3D打印機則出現在上世紀90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。

它的過程原理也比較好明白，每一層的打印過程分為兩步，一開始需要在成型的區域噴灑一層特殊膠水。依據的是膠水的本身很小，且不易擴散的原理。然后是噴灑一層均勻的粉末。粉末遇到膠水會迅速固化粘結。而沒有膠水的區域仍然保持松散狀態。這樣在一層一層的粉末的交替下，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。而且出于節省，剩余的粉末還可以循環利用。

其主要優勢是節省材料。不用剔除邊角料，提高了材料的利用率，通過摒棄生產線而降低了成本；能做到較高的精度和很高的復雜程度，可以制造出采用傳統方法制造不出來的、非常復雜的制件；不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具，就能直接把計算機的任何形狀的三維CAD圖形生成實物產品；它可以自動、快速、直接和比較精確地將計算機中的三維設計轉化為實物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短了產品研發周期。3D打印無需集中的、固定的制造車間，具有分布式生產的特點；3D打印能在數小時內成形，它讓設計人員和開發人員實現了從平面圖到實體的飛躍；它能打印出組裝好的產品，因此，它降低了組裝成本，甚至可以挑戰大規模生產方式。制作的物體可以根據人們的需求來完成，也可以說是私人定制，避免與很多物體重復，理論來說只要是人們需要的形狀，再通過電腦設計出來打印機都可以打印出來。這樣獨特生產吸引了眾多關注。

其面臨的問題主要是受打印材料局限，因為目前為止，打印材料只有塑料，樹脂？？，和金屬，骨骼等有機原料。不像工廠生產中材料多種多樣。而且不得不考慮打印出來的東西強度問題。房子，車子固可以打印出來，但是否能抵擋風雨，是否可以在路上行駛。還有精度問題，由于分層制作，存在“臺階效應”每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成，具有一定厚度，如果需要制造對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上有偏差。

二、應用領域

人們已經使用該技術打印出了燈罩、身體器官、珠寶、根據球員腳型定制的足球靴、賽車零件、固態電池以及為個人定制的手機、小提琴等，有些人甚至使用該技術制造出了機械設備。比如，美國麻省理工學院（MIT）的博士生彼得·施密特就打印出了一個類似于祖父輩使用的鐘表的物品。在進行了幾次嘗試之后，他最終用打印機打印出了塑料鐘表，將其掛在墻上，結果，鐘開始滴答滴答地走。

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，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。三維打印機的應用領域也在隨著技術進步而不斷擴展。美國科學家已研發出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維“生物打印機”。人們還使用三維打印機來制造雕塑并修復雕塑，制造由塑料和聚合物制成的三維物體并打印出了食品。

三、現狀

3D打印近些年來收到世界各國的關注，中國也不例外，經常出臺相關政策鼓勵扶持其技術研發和產業化，就目前形勢來看，3D打印發展火熱，其應用也非常廣泛，航天、醫療、汽車這些產業3D打印都有涉及。2016年3D打印行業出現了洗牌的跡象，老牌企業業績大幅下滑，技術創新不夠、工藝水平落后、價格居高不下，這是同質化競爭導致的。

目前全球3D打印行業整體現狀處于“小而散”的格局當中，還沒有絕對的龍頭企業和龍頭人物產生。既缺乏成熟的商業模式引領，也沒有有效打開應用市場。原因在于3D打印技術本身不是一項替代性很強的技術，大家還沒有找準市場定位，對于3D打印技術認識也有誤區，這項技術也不是萬能的。“小而散”的行業格局，不利于新興技術發展。

業界的普遍共識是，誰先將應用市場打開，誰就有可能走在3D打印技術的最前沿。目前國內和國際3D打印行業的差距，在材料上，技術上，在生產工藝上還有不小的差距，但是機會還是在我們這邊，關鍵是我們能否將3D打印技術與傳統產業的轉型升級結合起來，推動3D打印技術在當前艱巨的結構調整中發揮重要的引領作用

四、未來的前景

從戰略層面看，3D打印可幫助國內企業從設計、制造層面實現彎道超車。其可以規避規模化生產的部分缺點如強周期波動、產品同質化等，在某些領域可能成為未來“分布式制造”的基石。作為國家發展戰略的重要一環，政策支持預期開始明朗。

指導教師：任碩，潘暢