3D打印在社會發展中的應用

孫杭 趙建平

摘?要：3D打印技術是綜合了控制技術、信息技術、三維數字技術等眾多技術的新型技術產物。通過對3D打印技術成型工藝的闡述，對其成型工藝的材料和特點進行介紹。根據產品的特點和使用場合的不同，如在醫療、文物修復、食品加工、服裝設計、航空航天、建筑等方面的應用，為3D打印技術的創新發展和探索提供了參考依據。

關鍵詞：3D打印;醫療;文物修復;食品加工;航天;建筑;服裝設計

3D打印是快速成型技術的一種，也稱“增材制造”，以數字模型為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、電子束等工具將食用（植物蛋白、動物蛋白）、金屬、陶瓷、醫用樹脂、薄膜、特殊合金等材料，經過逐層堆疊、層層打印，制造實體產品的過程。相比傳統的模具制造、機械加工而言，3D打印技術更加“先進快捷”。3D打印只要能生成三維數字模型，就能打印所需要的產品。3D打印技術具有節時、節能、個性化定制、高精度、高復雜、降低組裝成本等優點。在醫療、食品加工、航天、文物修復、建筑等方面因其特殊的加工方式而得到了廣泛的應用[1]。

1?3D打印技術的成型工藝

3D打印技術的成型工藝分為：熔融沉積式（FDM）、電子束自由成形制造（EBF）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光熔化成型（SLM）、選擇性熱燒結（SHS）、選擇性激光燒結（SLS）、分層實體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）、數字光處理（DLP）等。

（1）熔融沉積式（FDM）。以熱塑性樹脂、食用材料（面粉、巧克力、牛奶等）、熱熔共晶金屬、高柔性材料為打印原料，用高溫噴嘴將材料加工成熔融狀態，根據CAD的工件截面輪廓信息，沿水平面運動，一層截面成型后進行下一層的堆積，如此循環，直到三維產品成型。該方法特點是使用和維護簡單、成本低、速度快，可以用作小批量生產[2]。

（2）電子束自由成形制造（EBF）。以鋁、鎳、鈦、不銹鋼、合金等材料，首先創造一個真空空間，利用高能量的離子束對金屬材料表面進行轟擊，轟擊后會在表面形成熔化池，金屬材料在熔化池內熔化，并按照預先規定的路徑運動，使金屬逐層堆疊凝固，形成致密的合金，直到制造出金屬零件或毛坯。該方法特點是成形速度快、材料利用率高、無反射、能量轉化率高。

（3）直接金屬激光燒結（DMLS）。以鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復合材料為原料，通過二氧化碳激光器產生激光，對激光進行傳輸，用振鏡進行控制，使合金粉末融化，一層一層疊加形成產品。該方法特點是結合強度高、變形小、熔覆工藝好、工藝時間短[3]。

（4）電子束熔化成型（EBM）。以導電金屬為材料，用逐層制造法制成密實度與鍛造件完全相同的零件。在一層鈦粉膜熔化并凝固后，下一層鈦粉膜重復施行，直至整個零件制成。該方法特點是熔煉溫度高、爐子功率和加熱速度高、提純效果好[4]。

（5）選擇性激光熔化成型（SLM）。其材料同電子束自由成形制造技術類似，以金屬和合金材料為主，利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經冷卻而凝固成型的一種工藝。該方法特點是產品力學性能好、精度和表面質量有保證。

（6）選擇性熱燒結（SHS）。以熱塑性粉末為材料，使用的熱打印頭，被保持在升高的溫度下，這樣的機械掃描頭只需要提升的溫度稍高于粉末的熔融溫度，以選擇性地結合，直到產品成型。該方法特點是價格實惠和高質量的印刷。

（7）選擇性激光燒結（SLS）。以金屬、陶瓷、塑料等材料的粉末為原料，采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的產品。特點是材料適用面廣、精度高、強度高[3]。

（8）分層實體制造（LOM）。以紙片、金屬薄膜、塑料薄膜等為材料，將其背面涂有熱熔膠的材料用激光切割，切割完一層，將新的一層疊加上去，用熱粘壓黏合在一起，然后切割、黏合，直到三維物件成型。其特點是成本低、效率高、模型支撐性好[5]。

（9）立體平板印刷（SLA）。以液態光敏樹脂為材料，通過計算機控制紫外激光使其凝固成型。其特點是精度高、強度和硬度好，可制造出較為復雜的空心部件[6]。

（10）數字光處理（DLP）。以光硬化樹脂為材料，用數字光源以面光的形式在液態光敏樹脂表面進行層層投影，層層固化成型。特點是超高精度、表面光滑、材質好[7]。

2?3D打印技術的應用現狀

2.1?在醫療領域的應用

在醫學應用中是通過以下過程來構建三維模型的：醫學圖形圖像三維重構技術→CT＼＼MRI斷層數據導入Mimics→通過閾值提取輪廓→利用軟件區域增長工具進行熱選擇→生成三維數字模型。

2.1.1?3D打印牙齒

3D打印牙齒以醫用型樹脂為原材料，采用SLS技術[8]。3D打印在口腔醫學方面的應用包括：修復領域、正畸領域、種植領域、頜內外科領域。在修復領域，可以通過3D打印技術制作義齒、牙模、仿真牙齦、咬槽骨等。在種植領域，在實施手術前，先用3D打印技術打印患者牙齒模型，通過對模型規劃進行手術;這樣不僅可以減少手術的誤差和風險，還能使義齒的植入更加貼合人體。在正畸領域，可以制作各種個性化的正畸產品，比如，3D打印正畸牙套，可以讓患者一次就診當場戴牙。不僅極大地提高了生產效率，而且還能給患者美觀舒適的體驗[9]。

2.1.2?3D打印骨骼植入體

3D打印骨骼主要用到熔融沉積技術、立體光刻技術和選擇性激光燒結技術。3D打印骨骼用到材料如下：金屬材料、無機材料、有機材料等。醫生可以使用計算機斷層掃描技術獲取患者的創傷骨骼的三維數字模型，并根據患者的傷勢情況做出調整，打印出符合患者的創傷骨骼模型。醫生可以通過參考3D打印實體模型進行手術模擬，優化手術過程。3D打印還可以打印一些如骨釘、骨板等創傷植入體模型，使用具有生物活性的可吸收材料，來達到幫助骨骼矯正恢復的作用。因為這些材料具有生物活性可以被人體所接受，并不需要作額外的手術取出，防止二次傷害，影響患者康復[10]。

2.1.3?3D打印活體器官

3D打印可以用來打印人體器官雛形，先建立器官的三維數字模型，根據3D打印機建好的三維數字模型逐層打印出實物模型。此3D打印機有兩個打印頭，一個放置患者的人體細胞，被稱為“生物墨”;另一個可打印“生物紙”，其成分主要是水的凝膠用作細胞生長的支架。因為3D打印機所采用的是患者的人體干細胞，所以并不會發生排異反應。其過程是先在打印機中生成已經建立好的三維數字模型，先把3D模型打印好，然后將一層細胞置于另一層上，打印完一層生物墨細胞，再補上一層生物紙凝膠，直到新器官打印完成[11]。

2.1.4?3D打印皮膚、義眼和假肢

人類皮膚是由真皮層和表皮層組成，真皮層主要由成纖維細胞構成;表皮細胞由角質細胞、黑色素細胞等構成。3D打印皮膚的結構必須類似于人體皮膚才不會發生排異反應。3D打印皮膚所需要的生物材料分為真皮層和表皮層，真皮層材料是“特殊生物墨水”于成纖維細胞等材料的融合;表皮層材料是“特殊生物墨水”于角質細胞、黑色素細胞等材料的融合。這種特殊的生物墨水一般由凝膠和血小板等細胞組成。

傳統手工制造義眼，如何使眼窩與義眼完美匹配也是一個很大的挑戰。傳統義眼是一種“奢侈品”，因其制造困難和耗時較長，所以其價格居高不下。義眼并不能視物，但其可以幫助促進眼部肌肉的活性，也可以幫助那些先天眼睛有缺陷的兒童，使其外貌接近正常兒童以避免受到歧視。3D打印義眼是通過CBCT掃描來制作3D打印模型。3D打印義眼最困難的一步是如何得到眼睛的精確三維數字模型。

人們的肢體一旦受到損傷，會給生活帶來數不清的麻煩，3D打印假肢就應運而生。3D打印假肢所用的材料是鈦金屬，因其耐用、輕質、生物相容性非常好，而廣泛用于生物領域中。3D打印與傳統手工制作相比更加適應人體需要。3D打印假肢可以根據患者的需要進行個性化的制造，因其材料的高利用率和高性能，使打印的假肢不僅在使用上更加貼合舒適，而且非常輕便，不會給患者帶來額外的負擔。

2.1.5?3D打印藥丸

立體光固化成型（SLA）技術可以用于制作3D打印藥物。能在打印前將藥物與光固化結合在一起，保持藥物內部的“固化矩陣”，從而減少藥物降解。2016年3月，FDA批準的癲癇藥物SPRITAM便是使用3D打印技術制造藥片特殊的結構，以便其更快速溶解[12]。

2.1.6?3D打印醫用器械

3D打印技術在特殊醫用器械的制造中被廣泛應用。3D打印產品在輔助治療方面：如矯正器、助聽器、導航板、關節支架等諸多醫療器械，已經在臨床醫療中得到大規模應用。手術器械方面：進行不同的手術要用到不同的手術器械，當遇到特殊的病人要用到“獨特”的醫療器械進行手術。傳統制造工藝對于這種“獨特”的醫療器械進行制造遠沒有3D打印技術的效率高，而且3D打印技術可以滿足其所需要的任何器械（理論上）[13]。

2.2?3D打印在文物修護中的應用

歷史上遺留下來的遺跡、文物都具有重要的歷史價值。任何的文物、遺跡都是當時科學技術水平的體現，反映了當時的政治、經濟、軍事和文化狀況。對于研究古代的風土面貌具有重要的文化價值。但是文物或遺跡出土后，如何修復是一個關鍵的問題。3D打印技術與傳統工藝相比，把加工材料依據不同的形狀分為點、線、面三種類型;依據材料的不同分為金屬材料、陶瓷材料、非金屬材料、塑料材料等，通過3D打印文物修復可以省略很多中間步驟，縮短所需的工期，減少能源損耗，降低技術的門檻需求。3D打印技術通過對文物的三維立體掃描，得到文物的外部形狀點集，再把這些點集輸入到計算機終端進行過濾和建模[14]。

使用3D打印技術首先要采用信息采集技術，建立虛擬三維模型需要三個步驟：建立虛擬3D模型→處理虛擬3D模型→打印虛擬3D模型三個步驟。其中建立虛擬3D模型是最為困難的，文物出土后對其建立三維模型是很困難的，要用到特殊的掃描儀器。這時要用到手持式的三維掃描儀對文物進行360度的掃描建立三維數字模型，手持三維掃描儀進行全方位無死角的掃描，在對文物進行掃描時，不僅要把握掃描儀的平穩性，還需要把實體文物模型全面覆蓋。為了使掃描的數據更加完整，我們需要掃描多組數據棧，為后面的數據處理工作和實體建模做基礎。需要關注的是在掃描過程中要注意物品的擺放位置，以便于在掃描中能把所有的數據采集到[15]。

2.3?3D打印在食品加工中的應用

3D打印食品主要以3DP和FDM技術為主，以面粉、牛奶、果汁、奶酪等為材料為主。

3D打印甜點：可以打印出“獨特的造型”，滿足人們的需要。根據打印材料的不同，可以打印不同種類的食品。例如：（特殊造型的）巧克力、糖果、蛋糕、奶酪、小吃等。其中以巧克力為材料打印的甜品非常受年輕人喜愛，他們認為這是“愛情的象征”。消費者可以通過3D打印技術打印出自己滿意的產品。

3D打印肉制品：消費者可以根據自己所需要的營養成分來調整打印材料，從而打印出自己需要的肉制品。對于兒童、孕婦、醫院病人等特殊人群，3D打印可以制作出他們“量身定做”的產品。3D打印肉制品可以在原材料上做出調整，用豐富蛋白質的昆蟲和植物蛋白來作為原材料，可以提高人造肉的蛋白質水平。

3D打印航空食品：原材料簡單易得，人們可以通過隨心搭配來生產出自己需要的食品，這些食品更容易保存，其中的碳水化合物、蛋白質等營養物質以及各種微量元素在沒有水分的情況下可以保存幾十年。因此可以使用高營養的材料采用3D打印技術來打印食品，為我們的身體健康和高效工作提供基本保障[16]。

2.4?3D打印在服裝領域的應用

3D打印服裝主要使用FDM成型工藝。3D打印服裝要借助人體以外的空間，用工藝手段和面料性能來搭建一個人體、面料共同構成的立體三維模型，以滿足消費者對于功能性和審美的要求[17]。3D打印構建的三維模型，既體現了服裝的功能作用，又展示了服裝的裝飾表現特征。目前3D打印在服裝的應用有鞋子、內衣褲、禮服、裙子等。通過3D打印技術不會余下廢料，也不需要制版，加工過程更加方便環保，顛覆了傳統的服裝制作流程[18]。

2.5?3D打印在航空航天中的應用

3D打印技術在航空制造領域的應用主要集中在三個方面：產品外形驗證、直接產品制造和精密熔模鑄造的原型制造。航空工業3D打印材料主要集中在鈦合金、鋁鋰合金、超高強度鋼、高溫合金等材料，這些材料基本都具有強度高、化學性質穩定、不易成型加工、傳統加工工藝成本高昂等特點[19]。而在3D打印技術方面，航空領域應用較多的3D打印技術主要采用SLM（選擇性激光熔化）、EBM（電子束熔化）、DMLS（直接金屬激光燒結）等技術形式。3D打印技術在衛星產品一體成型中有著不可替代的作用，目前可用3D打印的部件有蜂窩板、桁架和衛星貯箱。航天領域的3D打印技術的發展對于一個大國而言非常重要[20]。

2.6?3D打印技術在傳統機械制造中的應用

在傳統機械制造中比較困難的是精度問題，一個部件一旦精度達不到就等于是廢件，浪費了大量的人力物力。而3D打印的特點是定制化、生態化、智能化，這對于傳統機械制造來說是一個光明之道[21]。3D打印技術可以大幅提升機械制造成品率，切實確保產品質量，助力機械制造的產業發展。3D打印可應用與樣品生產、新產品研發、特殊環境的零部件[22]。

樣品生產：有的廠家要展示自家的大型機械產品，但是這樣對與運輸和場地來說要求太高，要提前準備就會浪費很多的人力物力。可以運用3D打印技術對那些體型巨大的大型機械進行三維建模，打印它們的“展示產品”來體現機械的性能。

新產品研發：若以傳統的加工方式來加工新產品機械模型，成本太高、周期太長，3D打印技術可以快速地生產機械模型，加快新產品成熟速度。特殊環境產品：在太空中的機械損壞的速度較之要快得多，這時要經常更換零件來保持機械的正常運轉，需要3D打印技術生產無數種零件來作為備用[23]。

2.7?3D打印在建筑行業中的應用

3D打印技術在建筑物重建方面：通過文獻和影像資料獲取建筑物3D模型信息，參考原建筑物的尺寸和外形進行打印。通過混凝土3D打印技術進行批量打印，可以快速地恢復受災人群“無處可住”的現狀。能間接重振災民精神，恢復原有的生產秩序[24]。構筑物的重建工作偏向于城市或者社區標志物的重建，此類標志物形態大都較為規整，材質較為沉重，與混凝土表現的粗獷感相吻合，借助混凝土打印工藝，不僅能在災區本地建立構筑物，亦能以目標構筑物的模型為原型，在其他地區進行仿制，將局部地區的教育和紀念價值拓展到更大范圍，通過技術手段升華構筑物的文化價值[25]。

3D打印在建筑行業主要有四種技術：輪廓成型工藝、混凝土打印、D型打印技術、數字建造。可以根據建筑的不同要求采用不同的打印技術，得到令人滿意的“個性化”建筑。獨特的建筑要用到獨特的材料，而且有的建筑風格用傳統的建筑工藝太過煩瑣，3D打印建筑可以應用不同場合不同需要的人群。

3?結語

3D打印技術是綜合了控制技術、信息技術、三維數字技術等眾多技術的新型技術產物。根據材料和需要的成型工藝，3D打印技術可以進行多方面的制造，以滿足社會對于“個性化”的要求。

在醫療方面：3D打印牙齒采用SLS技術，用醫用樹脂為原材料。3D打印骨骼采用熔融沉積技術、立體光刻技術和選擇性激光燒結技術，用金屬和陶瓷材料進行打印。3D打印藥丸采用SLA技術。3D打印器官采用患者自身的細胞作為原材料，不會發生排異反應。3D打印皮膚和義眼技術還不成熟，需要時間沉淀。3D打印醫療器械已經在臨床上得到廣泛應用。

文物修復方面采用三維掃描構建實物模型，逐層打印成實體。食品加工方面主要以3DP和FDM技術為主，用面粉、牛奶、果汁、火雞肉、奶酪等材料進行打印。年輕人更加青睞“獨特類型”的巧克力。服裝方面以FDM技術為主，用不同性能的面料打印不功能的服裝。目前，已經用于鞋子、內衣褲、外套、禮服、裙子等實體打印。

航空航天方面3D打印技術用得最多的是SLM、EBM、DMLS技術，主要用來打印各種高精密的零部件。在傳統機械制造方面，3D打印技術憑借其優良的成型工藝，已經被廣大制造公司接受。在建筑物重建方面，3D打印技術可以憑借輪廓成型技術、混凝土打印、D型打印技術、數字建造等技術來快速完成房屋的構建、建造成型，還可以給人一種獨特的“科技范”。

綜上所述，3D打印發展得非常迅速，在社會生活中各個方面都有涉及，但是精確到一個類型的一個具體方面還沒有完成覆蓋，以上介紹各個方面的3D打印技術可以為以后3D打印的探索和研發提供參考依據。

參考文獻：

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