3D打印技術的發展和應用

言帆

摘 要：3D打印技術引領著第三次工業革命。文章概述了3D打印技術的起源發展以及應用領域，有較強的實用性。目前3D打印已經橫跨了醫學、航天、食品、機械、建筑、汽車、電子、服裝、珠寶首飾等多個行業與領域，正快速地蠶食傳統行業的自留地。目前，我國3D打印技術發展面臨諸多挑戰，總體尚處于新興技術的產業化初級階段。不過，鑒于未來3D打印技術最有可能在美國和中國率先大規模產業化，我國3D打印產業前景可期，中長期發展趨勢向好。從近中期看，3D打印將與傳統的制造技術形成互補。相較于傳統生產方式，3D打印技術的確是重大的變革，但目前和近中期還不具備推動第三次工業革命的本領，也不會是傳統制造業的終結者。

關鍵詞：3D打印；模型；立體

中圖分類號：TP334.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0147-02

1 3D打印技術的起源與發展

前幾天，美國的福特汽車公司宣布自家的3D打印部門已經能夠打印懸掛部件了，而且在不久的將來能將整車都3D打印出來！還是美國的公司，用3D打印機打印了一座房子，僅用24小時就造了一所37平米的小公寓，而造價被控制在10000美刀之內！再把目光轉向國內，2017年的3D打印TCT展會正在上海開展，國內外百余家廠商在會展上競相展出自家的新品。3D打印，這個似乎有點陌生的詞匯有什么魔力匯聚眾多行業的關注，乃至于基于這個技術產出的事物都能變成新聞？有別于傳統的模具制造方式，3D打印是一種新時代的工業生產方式。

數字化與實體模具是3D打印與模具制造上的一個質的區別，無需投產前的模具準備、樣品調整、耗材預估等環節，直接采用數字模型生產，所見即所得。此外，3D打印可以制造出更復雜的結構、更高精度的細節，同時保證極高良品率下的無污染生產。在19世紀90年代初，美國出現了3D打印技術的思想。直到20世紀后期這個思想才得到根本性的發展，被廣泛稱為“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。相比于傳統制造方法，3D打印技術在產品制造復雜程度、生產制造范圍、生產制造效率、滿足客戶個性化需求等方面有著明顯的優勢。何工藝的發展史都不是線性的，要了解3D打印技術，我們需要深入探索3D打印技術最早的起源。

2011年，約瑟夫·比曼從照相雕塑和地貌成形技術兩個角度追溯了3D打印從19世紀中期到20世紀70年代的歷史。其中，照相雕塑是指先用相機和鏡頭獲取物體外形，然后模擬照相制版法制造出物體。地貌成形技術是指先用線性方式描繪物體的外形，再用線性形式復制出該物體。比曼根據這兩種技術差異將3D打印的發展主要分為兩個方向。一個是用分層物體制造的方式進行3D打印，例如FDM技術；另一個（照相雕塑）則利用光照使光敏樹脂固化，比如SLA技術。后來本杰明·切維頓將照相雕塑機進行了改進，于1884年獲得了縮放雕塑的雕塑打印機專利。于此同時，法國工程師兼設計師阿希爾·科拉斯利用縮放儀研究出另一種雕塑的制作方法。前面提到的制造設備被認為是數控銑床的前身。而數控銑床則是3D打印機的前身。

在照相雕塑技術中，發明人威廉在巴黎建了一個工作室，美國人卡洛·貝斯建議在威廉的制作工藝中加入明膠使雕刻品更為柔和，把一層層膨脹膠質疊放起來，制造出浮雕效果。但現在來看這種工藝并不可行，因為在添加新層時，上一疊層可能已經收縮變硬了。感光材料的發展，起源于1839年蒙戈·龐頓發現鉻合金硬化材料開始，直至20世紀早期利用陶瓷照相制作浮雕瓷磚，這些工藝為20世紀的快速成型工藝奠定了基礎，標志著光敏樹脂浮雕工藝的誕生，它是現代3D打印技術的重要組成部分。在早期的照相浮雕制作工藝中，人們通過加入感光明膠，一旦經過水洗后，明膠就會形成有色調的浮雕：亮區凸出來，暗區凹進去。為了制作出更具立體感的三維物體，工程師奧托·芒茲申請了“照相凹版記錄”專利。通過依次曝光一層照相乳劑，通過光照使之固化，以此來制造三維物體。待曝光照片用光敏樹脂來進行處理，圖片在曝光后硬化。

直到20世紀60年代，光敏樹脂才開始在印刷界廣泛使用。光敏樹脂材料的廣泛運用，為1986年第一臺光固化3D打印機的發明奠定了基礎。當時的3d打印機非常巨型而且昂貴。現在，3d打印技術已經走向成熟，生產鏈條也基本完善成型。

2 3D打印技術的應用

“只有你想不到，沒有什么做不到”用這句話來闡明3D打印的用途，似乎有些簡單粗暴了些，但話糙理不糙。3D打印技術的基本原理是掃描一個在電腦中已經完成好的或者完整的三維立體零件模型，按照微積分的思想，沿空間某一坐標軸切成許多個有一定厚度的剖面，然后通過打印機打印出每個剖面部分，再將剖面一層層連接起來，最終就是得到所需要的實體，也即是“分層制造、逐層疊加”。目前核心的3D打印技術方法有以下幾種：（1）光固化立體成型；（2）分層實體制造；（3）選擇性激光燒結；（4）熔積成型。3D打印數字化的生產方式決定了其具備跨行業、多用途的性質，多模式化的生產包括了定制化、自動化、快速生產等。下面針對幾個行業做一些具體的介紹：

2.1 鑄造業。近年來，中國鑄造業飛速發展，鑄造業零部件的生產也跟隨世界發展潮流，逐步趨向自動化，數字化以及綠色化。鑄造模具的使用在各類鑄造工藝當中最為頻繁，同時鑄件的質量和功能結構變化發展迅速。因此，在鑄造行業中出現了3D打印技術。3D打印技術具體應用于鑄造工藝當中的成型和核心工作部位，用于快速制造砂磨/芯，并保存模具。在不使用砂箱的情況下，采用低壓或重力鑄造法，鑄造鑄鐵件、鑄鋼件來配合砂箱工作。傳統鑄造的模具設計和制造工藝在3D打印技術中得到了消除，因此也叫無模化鑄造。

2.2 陶瓷業。一開始，陶瓷領域主要應用3D打印技術來制作模型，利用3D打印的精細模具來制作精美的陶瓷制品。但后來，3D打印技術逐漸強大到能夠完成真實陶瓷產品的生產。近來，許多外國公司或科研機構從事傳統陶瓷3D打印技術的研究，有很多突破性的進展。2012年末，“deseen”雜志展示了Unfold設計室的最新研究成果。他們自行研發的3D打印設備已經成功地打印出了各種各樣的日用陶瓷產品。一些產品已經被涂上了釉面，效果很好，質量也很好。2013年，運用3D打印技術，以硅粉為原料，糊精為粘結劑，通過對硅氮化硅陶瓷零件的反應燒結高孔隙度，獲得了多孔硅的制備工藝。endprint

2.3 設計業。眾所周知，產品外觀及結構模型做好之后，一般都會進入產品打樣的環節，前者是為了看看產品的美觀度，后者則是為了驗證產品可行性。在這之前一般的手法都是用CNC機床做手板；隨著科學技術及3D打印技術的不斷發展，現在越來越多的設計公司及企業開始用3D打印技術來做手板。利用傳統制造技術如注射法，生產大批聚合物產品，成本相對較低。而3D打印技術則可以以更快，更富有彈性，更低成本的方法生產相對較少的產品。設計師或概念開發小組制造模型的需要可以通過一個桌面大小的3D打印機來滿足。

2.4 醫療業。根據相關統計數據顯示，醫療和外科中心占據三分之二的3D打印市場份額，在未來很長一段時間內，將在醫療應用領域占據主導地位。除了輔助醫療和人體器官的制造之外，3D打印技術在提供定制和個性化醫療儀器設備方面也有很大的發展空間。首先，使用噴墨3D打印技術可以產生獨特的計量藥物。這種新的制藥方式對傳統制藥行業可能造成一定的威脅。這一過程所做的新準備已經在許多種藥物中得到了檢驗。其次，3D打印技術可以打印出活體組織。能夠打印出活組織無疑是醫療保健行業的一個新突破。以3D打印心臟為例，一些專家預測，3D打印心臟功能將在20年內實現。這是因為3D打印的困難部分是復雜的血管。第三，3D打印可以更精確地控制復雜的藥物釋放曲線。藥物釋放曲線顯示了藥物是如何在病人體內釋放的以及藥物分解的時間。研究人員可以通過親自設計和打印藥物來幫助了解更多關于其釋放曲線的信息。最后，3D打印可以為病人提供一個個性化的處方。通過使用全新的材料，可根據客戶的需要，使用3D打印技術進行“異化”的口頭管理。也就是說，你可以為每個病人量身定做自己的藥。目前醫學3D打印的產品仍處在無生命階段，比如定制化假肢、牙齒、手術模型、骨科植入物等。

3 3D打印技術的不足和未來

3.1 3D打印技術的不足。前面說了那么多3D打印好處，那為什么現階段它卻沒有被大部分人接受呢？這就要說到3D打印的不足之處了。總結它的不足點大致有：打印時間長、材料選擇單一、成品質量差。打印時間長應該是最明顯的缺點了，打印一個日常用的水杯就得耗時4個多小時，很多人因此失去了興趣。3D打印材料雖然有不少可供選擇，但和我們日常生活中的需求比起來，可選擇的材料還是單一，而且可供選擇的材料又不能直接從日常生活中獲取，需要單獨購買。制作出來的成品無論從光滑度還是硬度、柔韌性都比不上工業生產。3D打印制作的物件受溫度、濕度影響大，使用一段時間就容易斷裂。

3.2 3D打印的未來。工業生產的產品千篇一律，3D打印制作的產品因人而異，因此它可以彰顯個性，突顯個體差異。彰顯個性也是未來發展的潮流，每個人都在試圖說服別人我和他人不同。雖然3D打印有許多不足之處，但隨著科技的進步，3D打印終有一天會在人類歷史舞臺上大放光彩。

針對消費者的教育和推廣普及，則是3D打印未來發展的另一大關鍵——什么樣的對象適合用于增材制造？哪些又是不合適的？這就需要一個標準，包括對打印對象的評估，其大小形狀、生產規模、現有材料等。3D打印和其它些材料，也許需要其它替代的商業模式和生產資源組織方式。南加州大學教授Behrokh Koshnevis提出，遠程操控可能會成為制造商未來的組織模式。生產者與傳統的工廠和設備分離，甚至可能離這些設備定點十萬八千里。對設備實現了遠程操控之后，工人們不再束足于工廠，可以遠程完成自己的工作。這樣一種組織模式好處甚多：一方面保護工人健康、安全，增加參與勞動的積極性；另一方面可以通過將工廠設在地產、能源成本相對較低的地區，降低業務開支。

遠程辦公也可以看作是未來工業4.0發展的一個大趨勢，尤其在談到分散化企業的發展機會時。多種新興技術，如物聯網、大數據及自動化將帶動3D打印進一步應用推廣。2017下半年，我們期待3D打印進一步迎勢而發！

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