3D打印技术及其应用

【摘 要】本文简要介绍了3D打印的原理，概括了3D打印技术在航空、汽车和电子制造、生物工程和医学、服装和首饰设计、建筑以及个性化产品创作等领域的应用和最新发展。

【关键词】3D打印；原理；应用；个性化设计

3D打印作为一种新型的快速成型技术，目前正受到越来越多的关注。2012年英国《经济学人》杂志制作专题论述了当今工业领域正在经历的第三次革命，认为这次革命是互联网和新材料、新能源相结合的工业革命，3D打印技术作为“第三次工业革命的重要标志”，将成为改变未来世界新的创造性科技。

1 3D打印的原理

3D打印技术是添加制造技术的一种形式，它采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，3D打印机是它的核心设备。3D打印技术是一种综合性的应用技术，它综合了数字建模、机电控制、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的技术。3D建模是3D打印的前提，3D建模的质量直接决定了3D打印模型的质量。CAD等矢量建模软件可以实现3D建模。3D打印首先将建立的3D模型进行分割，即将模型分割成一层一层的薄片，薄片的厚度一般为几十微米到几百微米不等。软件完成分割工序后，3D打印机即可进行喷墨打印。每一层的打印分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后在胶水上喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化粘结。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被粘结起来，“打印”完成后，需要对打印的模型进行后处理，例如固化处理、剥离、模型的修整等，最终得到所需要的模型[1]。

与传统模型制作相比，3D打印具有制作精度高和制作周期短等显著优势。3D打印技术的历史由来已久，历经30年的发展，3D打印技术正逐步成为最有生命力的先进制造技术之一，目前已实现在0.01毫米的单层厚度上实现600dpid 精细分辨率，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。3D打印的材料也逐渐扩展到金属、塑料、陶瓷和高分子聚合物等[2]。

2 3D打印技术的应用

近年来3D打印产业获得了飞速发展。《Wohlers Report 2011》显示，全球3D打印技术产值在1988至2010年间保持着26.2%的年均增速。2011年3D打印产业的市场规模为17亿美元，预计到2016年产业总产值将达到31亿美元。如今，3D打印技术的应用已经涉及到很多领域。

2.1 航空、汽车和电子制造领域

3D打印技术适应用于多品种、小批量、结构复杂、原材料昂贵的结构制造，因此在航空、汽车和电子制造领域有很广泛的应用。该技术在航空领域的应用主要集中在外形验证、直接产品制造和精密熔模具铸造的原型制造。欧美已将3D打印技术视为提升航空航天领域水平的关键技术之一。波音公司利用三维打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件[3]。2011年，英国南安普顿大学工程师使用3D打印技术制造出世界首架无人驾驶飞机[4]。在汽车制造行业，3D打印技术多用于制造汽车的零部件。Kor Ecologic 公司近日推出世界第一辆从表面到零部件都由3D打印制造的汽车“Urbee”，它的大部分零部件是使用3D打印技术完成，显示出3D打印技术的强大威力。在电子制造方面，我国国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发，中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。

2.2 生物工程与医学领域

近年来，3D打印技术已应用到生物制造和医学领域。2009年，美国ganovo公司首次使用3D打印技术制造出人造血管[4]。2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官[5]。英国赫瑞瓦大学和一家干细胞技术公司合作，开发出一种真空阀门式3D打印技术，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来打印移植用于人体组织和器官称为可能，相关论文发表在2013年2月出版的《生物制造》杂志上。

2.3 服装和首饰等设计领域

2011年，荷兰时尚设计师Iris van Herpen在巴黎时装周上展示了由3D打印技术完成的服装，开辟了全球时尚界的新时代。3D打印技术不仅使以往布料难以诠释的立体造型得以完成，更实现了服装的完全服帖身形订制。除服装设计外，讲求时尚外形的家装、制鞋和艺术创作都可成为3D打印的用武之地。2011年，materialse公司提供以14K金和纯银为原材料的3D打印服务。3D打印技术正成为设计师创作的重要工具。

2.4 建筑领域

3D打印技术日益完善，不仅可以打印小件物品，这项技术业已冲击到传统的建筑行业。2011年3月，materialse公司打印出一个微细的工厂模型，植物燃气公司Linde AG的微缩工厂缩小模型被完全逼真的打印制作出来。2013年1月，荷兰建筑师与意大利发明家合作，计划打印出一些包含沙子和无机粘合剂的6×9（米）的建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充，该工程预计在2014年完成，并将参加Europan竞赛。

2.5 个性化产品创作领域

3D打印技术可以打印各种日常小模型，这些模型不同于大批量的流水化产品，它可以完成随心所欲的个性化设计。2011年，University of Exeter 的研究人员设计了一台可以打印巧克力的3D打印机。纽约一家创意消费品公司通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品。另外，BCC报道了3D打印机打印出个性化的3D巧克力。

随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。

【参考文献】

[1]刘欣灵.3D打印机及其工作原理[J].网络与信息，2012，2：30-30.

[2]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷，2012，9：37-41.

[3]杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技术，2013，1：13-17.

[4]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013，1：62-67.

[5]王雪莹.3D打印技术及其产业发展的前景预见[J].中国高新技术企业，2012（26）：3-5.