淺析3D打印技術(shù)在納米材料中的應(yīng)用

周鋆寬

摘要 隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印這一新型技術(shù)也正在迅猛發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于生活、工程設(shè)計(jì)等各個(gè)方面。同時(shí)，正在以新生之勢(shì)發(fā)展著的納米材料也應(yīng)用較為廣泛，以其微小卻能量大的獨(dú)特性質(zhì)受到追捧。而將3D打印技術(shù)與納米材料相結(jié)合，將成為科技領(lǐng)域的一大成就和潮流。本文則是從3D打印技術(shù)在納米材料中的應(yīng)用入手，簡(jiǎn)要分析3D打印技術(shù)的創(chuàng)新性、在納米材料中的具體應(yīng)用、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及為其帶來(lái)的影響，以期為3D打印技術(shù)在納米材料中的深化應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù)；納米材料；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；影響

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）17—0056—01

眾所周知，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)代，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑是科技領(lǐng)域的又一次革新，它被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志之一”。與此同時(shí)，納米材料近幾年的發(fā)展也是不容小覷，納米材料成功應(yīng)用在人類(lèi)的衣食住行等方面，更是被預(yù)言為是當(dāng)今世界最有發(fā)展前景的決定性技術(shù)材料。但納米材料的應(yīng)用存在著單一性、數(shù)量少等局限性。因此，3D打印技術(shù)以其多樣性、豐富性彌補(bǔ)了這一缺陷。二者完美契合，必定會(huì)為技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)新面貌。

1 3D打印技術(shù)的概況

1.1概念及原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，在國(guó)外它被稱(chēng)為“增材制造”。其原理是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體，并且可以把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列的二維制造的疊加。

1.2發(fā)展及特點(diǎn)

據(jù)了解，3D打印技術(shù)的發(fā)展歷程大致如下：1984年的數(shù)字資源打印成三維立體模型技術(shù)、1993年創(chuàng)造出的7三維打印技術(shù)（3DP）、1996年第一次使用“3D打印機(jī)”、2005年世界上第一臺(tái)離精度彩色3D打印機(jī)——Spe。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)打印技術(shù)最大的區(qū)別在于適應(yīng)的材料上，傳統(tǒng)的打印機(jī)使用的無(wú)外乎是墨水等原料，而如今的高科技3D打印技術(shù)依賴(lài)于基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的CAD技術(shù)，通過(guò)預(yù)先的CAD設(shè)計(jì)，繼而在打印過(guò)程中完成一系列的數(shù)字切片程序；再將這些信息傳入到計(jì)算機(jī)，其次在打印機(jī)中進(jìn)行分層打印，最后將這些分層打印出來(lái)的薄片傳送給打印機(jī)直至其堆疊出來(lái)一個(gè)成型的物體。

2什么是納米材料

納米材料就是在100nm以?xún)?nèi)的空間內(nèi)從微觀粒子的角度對(duì)材料進(jìn)行加工和修飾，這些粒子包括分子、原子和離子等，這種材料與傳統(tǒng)宏觀意義上的材料不同。近些年來(lái)，納米材料如雨后春筍般地涌現(xiàn)出來(lái)，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療等領(lǐng)域。而這都?xì)w功于納米技術(shù)的高速發(fā)展，納米技術(shù)的發(fā)展“刷新”了人們對(duì)物質(zhì)世界的傳統(tǒng)認(rèn)知。納米材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及量子隧道效應(yīng)等，融合了物理學(xué)中力、光以及電磁等技術(shù)，具備催化的性能。由此不難看出，納米材料在21世紀(jì)將有著最廣闊的應(yīng)用前景。

3 3D打印技術(shù)應(yīng)用在納米材料中的優(yōu)勢(shì)

1）精細(xì)性。3D打印技術(shù)依托于計(jì)算機(jī)，將復(fù)雜的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型。納米材料中的細(xì)微粒子正是基于其自身的小尺寸特點(diǎn)產(chǎn)生巨大效應(yīng)，3D打印技術(shù)融入其中，可增加納米材料的光、電、熱等獨(dú)特功能，從精準(zhǔn)細(xì)微出發(fā)，可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

2）多樣性。3D打印技術(shù)擁有多樣化的材料，可以滿(mǎn)足納米材料在發(fā)展中的復(fù)雜要求，從而使納米材料獲得更多如反射、催化等意想不到的高性能特點(diǎn)，增加了其附加值。

3）循環(huán)性。3D打印技術(shù)中的可循環(huán)利用特性為納米材料帶來(lái)了福利。據(jù)了解，納米在抗菌、保鮮、除臭等方面有著重要功效，而3D打印技術(shù)利用循環(huán)性，正好可以延長(zhǎng)納米材料的使用壽命，增加其使用值，為社會(huì)生活做出更多貢獻(xiàn)。

4）環(huán)保性。3D打印技術(shù)在環(huán)保方面最主要的表現(xiàn)為節(jié)能、毒素排放量少且功耗消耗較少。由于3D打印技術(shù)來(lái)自于電力供電，又因?yàn)槠渚_度高。所以在能耗的使用上，能夠最大程度地優(yōu)化資源，避免浪費(fèi)和污染環(huán)境。近年來(lái)，運(yùn)用納米技術(shù)研發(fā)的復(fù)合稀土化合物，其粉體作用可以?xún)艋?chē)尾氣。可見(jiàn)在這一點(diǎn)上納米材料與3D打印技術(shù)不謀而合。二者的融合會(huì)進(jìn)一步減少污染氣體排放量，有效地優(yōu)化資源，避免資源浪費(fèi)帶來(lái)的環(huán)境污染。由此不難看出，二者結(jié)合非常完美。

4 3D打印技術(shù)對(duì)納米材料的影響

1）3D打印技術(shù)促進(jìn)了納米材料成本的降低。納米材料在諸多方面運(yùn)用得十分廣泛，而細(xì)微納米粒子雖小但能量大。3D打印技術(shù)因其自身的精準(zhǔn)度可以大大避免材料浪費(fèi)，從而使每一顆納米粒子都得以成功發(fā)揮作用。例如利用納米材料，在玻璃或墻面涂上納米薄層，進(jìn)行白潔，且還可有效吸收對(duì)人體有害的紫外線(xiàn)。3D打印技術(shù)在最開(kāi)始計(jì)算玻璃或墻的精確度，使測(cè)量精準(zhǔn)，不浪費(fèi)每一顆納米粒子，從而降低成本。

2）3D打印技術(shù)促進(jìn)了納米材料設(shè)計(jì)技術(shù)的革新。3D打印技術(shù)的運(yùn)用加快了納米材料的設(shè)計(jì)進(jìn)程，使得納米材料在設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)展與完善。簡(jiǎn)單舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，納米材料制成的納米陶瓷對(duì)汽車(chē)、飛機(jī)等交通工具的發(fā)動(dòng)機(jī)部件有著重要作用，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。將3D技術(shù)應(yīng)用于納米材料的設(shè)計(jì)中，更是將高科技與制造業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合推向了一個(gè)新的高度，加快了納米技術(shù)產(chǎn)品制造的發(fā)展與創(chuàng)新。

3）3D打印技術(shù)有利于縮短納米材料制作周期。3D打印技術(shù)本身具有快速性、精準(zhǔn)性，在納米材料制成品中更是大有益處。通過(guò)3D打印技術(shù)準(zhǔn)確地計(jì)算所需模型材料，并且大大地縮短了納米材料的制作周期。與傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)相比，3D打印技術(shù)下往往將信息輸入進(jìn)去，一個(gè)“回車(chē)”發(fā)送指令，就可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成納米材料的制作。例如納米材料做的無(wú)菌餐具、無(wú)菌食品包裝用品，將其結(jié)合3D打印技術(shù)，既可以有效縮短生產(chǎn)周期，又可以物盡其用，有益于資源合理配置。

4）3D打印技術(shù)促進(jìn)納米材料應(yīng)用的人性化發(fā)展。由于3D打印技術(shù)可以通過(guò)模型的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，以此來(lái)最大程度上滿(mǎn)足納米材料應(yīng)用的設(shè)計(jì)者及使用者的需求，改變了一般意義上的死板設(shè)計(jì)。例如，利用納米材料技術(shù)制成的微型機(jī)器人，首先運(yùn)用3D打印技術(shù)勾勒三維模型，精準(zhǔn)機(jī)器人的一切尺寸，通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型。并且此納米機(jī)器人可疏散病人腦血管中的血栓，清除其心臟動(dòng)脈內(nèi)的脂肪和沉淀雜質(zhì)物，成為人類(lèi)健康生活的小助手。

5結(jié)論

總而言之，3D打印技術(shù)具有很好的發(fā)展前景，并且隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，納米材料的應(yīng)用進(jìn)程必將呈現(xiàn)出更加快速度的發(fā)展。但是，目前該技術(shù)在納米材料的應(yīng)用方面仍然存在著諸如3D打印機(jī)本身成本較高、環(huán)保不完善等缺陷。不過(guò)我們相信，3D打印技術(shù)終將會(huì)克服這些弊端，在未來(lái)的某一天定然能夠看到更加完善的3D打印技術(shù)，為納米材料的應(yīng)用乃至人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。