淺析3D打印機的新進展和新應用

周理想+陳曉康+武山

摘 要：為了能夠更好地促進信息的存儲、交流及傳播，3D打印技術正在不斷發展、革新，并且逐漸被人們所熟知。由于該技術具有將個體的設計迅速轉變為實物的特點，因此3D打印已經被應用到多個領域中，成就了人們的動手能力和創造能力相結合的愿景，提高了社會生產力之余，也影響著人們的生活方式。文章以3D打印機的發展、原理、分類等方面為基礎，提供了有關3D打印在部分領域中的階段成果和新發展。其目的在于使讀者掌握有關3D打印技術的基本知識，培養對3D打印技術的學習興趣。

關鍵詞：3D打印；科技；技術應用

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0028-02

1 3D打印機的發展歷程

打印機是隨著個人計算機的普及而出現的一種辦公自動化產品，它為信息的存儲及傳播提供了更加快捷方便的形式。發展至今，主要經歷了“針式打印機”、“噴墨打印機”、“激光打印機”、“熱升華打印機”、“熱轉印打印機”等幾個重要階段。但這些都是二維平面上的語言文字或圖像的外化。隨著人類的生產、生活等各方面需求不斷加大，人們不斷探索著更為先進的打印技術。

3D打印技術由美國人查爾斯·赫爾在上個世紀八十年代發明。他首次使用光固化的方式制作出了第一個實物；1986年，該技術獲得了專利，赫爾在加州成立了3DSystems公司，這是全球首家3D打印公司[1]。1988年，赫爾博士將他的光固化3D打印機正式推向市場，3D打印的概念也逐漸被外界了解。

3D打印技術又稱添加式制造或直接數字化制造。與傳統工業制造相比，它不像傳統制造機器那樣通過純手工或模具來制造產品，它是利用疊層制造技術來制作產品。其基本打印流程大致分為以下幾步：首先利用CAD等電腦軟件建好物品的三維模型，或者直接利用3D掃描儀得到物品的三維數據生成三維模型，接著將做好的模型翻譯成STL文件，然后將翻譯好的文件導入到CAM系統中進行切片處理。再根據所使用的材料和該模型的打印指令建造原型。成型后還需打磨成品，使表面變得更光滑。

目前，隨著科學技術的不斷更新，從技術層面和使用的材料來看，3D打印主要有以下幾種分類。熔融沉積成型技術（FDM），一般使用熱塑性塑料，如聚乳酸和ABS樹脂；直接金屬激光燒結（DMLS），該技術幾乎可以以任何金屬為原材料；電子束融化（EBM），主要以鈦合金為原材料；選擇性激光燒結（SLS），主要以金屬粉末和陶瓷粉末為制作原材料；選擇性熱燒結（SHS），該技術以熱塑性粉末為主；粉末層和噴頭3D打印機（3DP），原材料為石膏；分層實體制造（LOM），以金屬箔和塑料薄膜來制作產品；立體光刻（SLA），也稱光固化技術，其采用光致聚合的液體樹脂作為材料；數字光處理（DLP），其原理與DLP投影機的技術相同，制造過程與立體光刻（SLA）技術類似[1]。

2 3D打印機的應用前景

3D打印憑借其操作性強，方便實用，節約資源等優勢，彌補了傳統制造工藝的不足，隨著其原材料和打印技術的不斷革新，其應用已經不僅局限于醫療科技、航空航天等高科技領域，在日常生活、學校教學等多個領域已經能夠逐步看到3D打印的身影。從飛機衛星的精密零件等尖端科技到日常生活中微不足道的哨子，可能都需要用到3D打印技術。3D打印滲透到各行各業著實給人們的生活帶來了巨大的便利。

2.1 醫學領域

骨創傷是骨質發生病變的一種疾病。將3D生物打印技術運用到骨創傷領域，可大大提高手術成功率[2]。在心腦血管研究與應用方面，3D打印可以協助醫療人員快速了解病人病情[3]。

目前，3D打印在生物醫學方面的應用還處在初級階段，主要應用還是在牙齒、假肢等功能相對簡單的器官，一些功能相對復雜的器官如腎臟、心臟等還處在研究階段。如今，器官短缺成為一個亟待解決的難題，而器官移植的費用又非常昂貴。利用3D打印可以根據具體病情來為患者打印器官，治療他們的疾病。相信隨著科技的進步，3D打印在人造器官等醫療方面能夠起到越來越不可忽視的作用。

2.2 航空航天領域

與傳統制造業的大規模、低精度相比，3D打印技術更適合應用于對零部件要求比較高的領域，如航空航天領域。2015年，我國成功研制出首臺航天多激光金屬3D打印機[4]，用于衛星或飛機等精密零件的制造。經過測試，這些3D打印的零件性能滿足要求。2016年，中科院成功研制中國首臺空間3D打印機，并且完成了拋物線失重飛行試驗[5]。美國也致力于將3D打印運用到無人機和飛行器的產品升級中[6]。

作為衡量本國綜合國力的標準之一，各國都在航空航天領域積極探索和發展。將3D打印機送上太空，可用作打印維修工具等用途，這樣可減少飛船的承重，降低運輸成本；對宇航員來說，用3D打印來打印一些難以維修的精密零件，也可降低維修飛船的難度。

2.3 生活領域

傳統制造業可以大批量地生產任何人們想要的產品。但這些看起來千篇一律的產品無法滿足人們的個性化需求。食品方面，3D食物打印機原理和其他打印機類似，最主要的是原材料的種類不同[7]。西班牙的一家公司推出全球首款3D食物打印機，這款食物打印機可以“打印”出甜品、漢堡等。2015年在美國舉行的消費電子展上，打印機公司3D Systems和好時食品公司推出了3D巧克力打印機，它可以將巧克力碎片制作成任意精美的造型。兒童成長方面，相關科研人員推出了適合在兒童群體中寓教于樂的3D打印機，用于打印一些動物、玩偶等[8]。

3D打印食品材料簡易、制作簡單，可根據用戶要求進行定制，具有個性化；對于一些特殊群體，如老年人牙齒不健全，不能吃堅硬的東西，利用3D打印可將原材料的比例進行調配，將原本堅硬的成品制作成口感稍軟的，有利于老年人的吞咽。

2.4 教育教學領域endprint

傳統的課堂教學模式很難引起學生對所學事物的直觀上的認識，特別是一些工科學科。另一方面，學生的想象力強、創造力強，3D打印可以將他們腦海中新奇的想法直接轉換為三維世界中的實物。因此，將3D打印用于改進這類課程的教學方法顯得尤為重要。

國內外已經開始研究如何把3D打印運用在教育領域，來培養具有基礎理論扎實，動手能力強的學生。英國教育部在2012年開展了課程教學創新活動，為一些學校提供了普及3D打印知識的技術人才。美國開展了MENTOR項目計劃，目的是在本土普及3D打印技術。在學校用于課堂演示，加強學生對所學事物的具體了解，提高他們的學習興趣[9]。2014年，浙江省向省內部分中小學校捐贈3D打印機。同時將與部分學校合作建立3D打印教育基地，建立3D打印課堂。旨在推廣省內中小學生對前沿技術的了解，同時激發他們的創新意識。

3 結束語

文章結合3D打印機的發展歷程及基本原理，敘述了其在醫學領域、航空航天領域、生活領域和教育教學領域的階段成果。將3D打印運用到各行各業，將有利于成本的降低和提高材料的使用率。誠然我們看到3D打印有著傳統制造業不可替代的優點，但是目前這種技術處于初級發展階段，仍然有著一些技術不足，如需要打印的模型建立有難度，容易出現模型和打印成品不一致的情況，另外打印機的材料之昂貴也是一個不容忽視的問題。但3D打印體現出的快捷性、個性化等優點，將會伴隨其打印技術的不斷進步和原材料的不斷革新，會被應用于更多領域中去，給人類帶來更多的便利。

參考文獻：

[1]張桂蘭.解密3D打印[J].印刷技術，2013（19）：42-45.

[2]劉廣濤，馬會力，齊巖，等.3D生物打印技術在骨創傷中的應用進展[J].醫學綜述，2017，23（7）：1291-1295.

[3]趙靖，王笛，劉繼全，等.3D打印技術在醫學領域應用的現狀及問題[J].中國現代醫學雜志，2017，27（12）.

[4]新華.我國首臺航天3D打印機研制成功[J].軍民兩用技術與產品，2015（1）：32-32.

[5]英佳.我國研制成功首臺空間3D打印機[J].金屬加工（冷加工）冷加工，2016（12）：11-11.

[6]劉華，呂先志.美國南加州航空航天產業發展現狀和趨勢[J].全球科技經濟 望，2016，31（12）：67-71.

[7]林偉鵬，孫永，林國鴻.3D食物打印機簡述[J].通訊世界，2017（9）.

[8]黃立中，杜宇，羅佳龍，等.基于兒童體驗的3D打印機產品設計[J].中國新技術新產品，2017（9）：146-148.

[9]張萍，閆宇，李苗，等.3D打印機在高校土木工程教學中的應用探討[J].山西建筑，2016，42（15）：229-230.endprint