讓科幻變成現實

米林

電影《十二生肖》中，成龍讓我們體驗到了3D打印的神奇。只用了大約三分鐘，就讓我們情不自禁地大為驚嘆——他戴上電子手套掃描獸首，電腦上便出現了獸首的3D圖像，下一刻，3D打印機便直接“打印”出一個一模一樣的“獸首”來……誰能想到，這個具有顛覆性的技術早已存在，而不是電影的杜撰！

什么是3D打印技術

3D打印在近兩年走進公眾視線，被看作是一項神奇有趣的新技術。實際上，它在工業領域和醫學領域，早就不是一個陌生的概念。在四川大學，就有一門專教3D打印技術的課程，已經開設了10年。其實，在專業領域它有另一個名稱：“快速成形技術”。

快速成形技術又稱快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）技術，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等提供一種高效低成本的實現手段。簡言之，快速成形技術就是利用三維CAD的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。

3D打印的原理

3D打印機的工作原理，與普通打印機工作原理相似：首先，它將每一層的打印過程分為兩步，在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣，在一層膠水一層粉末的交替重疊作用下，實體模型將會被“打印”成型。打印完畢后只要掃除松散的粉末即可，而剩余粉末還可循環利用。

打印耗材由傳統的墨水、紙張轉變為膠水、粉末。當然，膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對于模型強度以及“打印”分辨率都有直接影響。3D打印技術能夠實現600dpi分辨率，每層厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印，而且可以利用有色膠水實現彩色打印。

當然，整個過程是在電腦的控制下，由3D打印機系統自動完成的。不同公司制造的3D打印機所用的成型材料不同，其系統的工作原理也有所區別，但其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長法”或“加法”。

3D打印機的制作過程可通過一個例子加以描述：假設我們制作一個塑料材質的蘋果，首先，我們需要在電腦上使用3D軟件制作出一個蘋果的3D模型文件，然后把它轉換成3D打印機支持的文件格式。接下來需要給3D打印機放入塑料耗材，這樣，3D打印機就可以制作塑料蘋果了。這個過程與平面打印機的操作相似。

打印系統在制作的時候會從這個蘋果3D模型底部開始切成很多片。最先開始制作的是蘋果模型最底部的截面，也就是蘋果最底部的一層，這時候系統會控制激光器（或噴嘴）在這一層截面圖的范圍燒結原料（或擠出原料），這一層做好后是第二層，依此類推。于是，塑料蘋果就一層層地“打印”出來了。

3D打印的技術優點

制造快速，無須模具

3D打印技術的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機便可以打印出你需要的小物品。比如你想要一個茶杯喝水，就可以現場打印出一個茶杯，并馬上用來盛水。

它最突出的優點是無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件。它是并行工程中進行復雜原型或者零件制造的有效手段，能使產品設計和模具生產同步進行，從而提高企業研發效率，縮短產品設計周期，極大降低新品開發的成本及風險，對于外形尺寸較小，異形的產品尤其適用。

CAD/CAM技術的集成

設計制造一體化本來是工業制造業的一個難點，計算機輔助工藝（CAPP）在現階段還無法與CAD、CAM完全無縫對接，這也是制約制造業信息化的難點之一，而快速成型技術集成了CAD、CAM、激光技術、數控技術、化工、材料工程等多項技術，使設計制造一體化的概念完美實現。

完全再現三維效果

經過快速成型制造完成的零部件，完全真實地再現了三維造型，無論外表面的異形曲面還是內腔的異形孔，都可以真實準確地完成造型，基本上不需要再借助外部設備進行修復。

材料種類繁多

到目前為止，各類3D打印機設備所使用的材料種類有很多，如樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末等，基本上滿足了絕大多數產品對材料的機械性能需求。

應用行業領域廣

3D打印技術經過這些年的發展，技術上已基本上形成了一套體系。同樣，可應用的行業也逐漸擴大，從產品設計到模具設計與制造、材料工程、醫學研究、文化藝術、建筑工程等都逐漸開始使用3D打印技術，可見3D打印技術有著廣闊的前景。

3D打印的應用領域

3D打印的應用領域之廣超乎人們的想象。理論上說，幾乎只要存在的東西都可以通過3D打印機復制出來。目前，3D打印技術已在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾制作等領域得到了廣泛應用。并且隨著這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展。3D打印技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：

醫學領域

近幾年來，人們對3D打印技術在醫學領域的應用研究較多。以醫學影像數據為基礎，利用3D打印技術制作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。在外科手術中，3D打印技術可為需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，無須擔心排異反應。而打印一個人體心臟瓣膜，只需要價值10美元的高分子材料。

文物保護

博物館里常常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害。同時，3D打印技術也在文物修復中開始起到重要作用。

建筑設計領域

建筑模型的傳統制作方式，漸漸無法滿足高端設計項目的要求?，F如今眾多設計機構的大型設施或場館都利用3D打印技術先期構建精確建筑模型來進行效果展示與相關測試，3D打印技術所發揮的優勢和無可比擬的逼真效果為設計師所認同。在建筑行業里，工程師和設計師們已經逐漸開始使用3D打印機打印建筑模型。這種方法快速、成本低、環保，同時制作精美，完全合乎設計者的要求，同時又能節省大量材料。

產品設計領域

在新產品造型設計過程中應用3D打印技術，為工業產品設計開發人員創造了一種嶄新的產品開發模式。運用3D打印技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物模型，這不僅縮短了開發周期，而且降低了開發費用，也使企業在激烈的市場競爭中占有先機。

機械制造領域

由于3D打印技術自身的特點，使其在機械制造領域內獲得廣泛的應用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復雜制件，由于只需單件生產，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技術直接進行成型，成本低，周期短。

模具制造領域

像玩具制作等傳統的模具制造領域，往往模具生產時間長，成本高。將3D打印技術與傳統的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發周期，提高生產率，是解決模具設計與制造薄弱環節的有效途徑。

航天技術領域

在航空航天領域，空氣動力學地面模擬實驗（即風洞實驗）是設計性能先進的天地往返系統（即航天飛機）所必不可少的重要環節。該實驗中所用的模型形狀復雜、精度要求高，又具有流線型特性，采用3D打印技術，根據CAD模型，由3D打印設備自動完成實體模型，則能很好地保證模型質量。

3D打印技術可應用的領域非常廣泛，我們有理由相信，隨著3D打印技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用。