3D打印的現狀及發展

代 鈺

(西南大學 重慶 400000)

3D打印的現狀及發展

代 鈺

(西南大學 重慶 400000)

3D打印，又稱增材制造，是快速成型技術的一種，被譽為“第三次工業革命”的核心技術，是一種綜合了數字建模技術、機電控制技術、激光、信息、材料與化學領域的先進技術。材料是3D打印的物質基礎，也是當前制約3D打印發展的瓶頸。本文在3D打印的設備、技術、材料、應用等方向分別做了介紹，并對3D打印的現狀做了分析，也對其前景做了預測。

3D打印；應用；現狀；發展趨勢

3D打印技術是一種增材制造技術，在最近迅猛發展，有著巨大的潛力，是當今極其熱門的新興技術之一。與3D印刷技術有著很大的不同，3D打印機按照CAD模型講塑料、金屬粉末或陶瓷粉末以及工程塑料材料甚至是蛋白質粉末等可黏合材料通過不同的噴頭，逐層堆積在工作臺上最終完成目標零件。與傳統減材制造工藝不同，3D打印是一種通過不斷增加材料直至工作完成的自由成型技術，在克服傳統制造業難加工或無法加工的短板同時，更大幅度減少了整個加工過程中原料的浪費。經過20多年的發展后，如今的3D打印技術不僅價格更低，精度和可靠性也更高。

一、3D打印技術的設備

3D打印的設備3D打印機是3D打印的核心設備，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成，是集機械、控制和計算機技術為一體的復雜機電一體化系統。機械系統的核心靈感來源于笛卡爾機械坐標系，可以沿著右手螺旋坐標系三個方向移動。目前也出現了一些基于極坐標系的打印機，不過還是占少數。計算機軟件是設計人員用于設計三維數字模型，并根據需要進行分層處理和加支撐，轉化為可以用于打印的文件。控制軟件是根據設計出的三維數字打印文件，自動控制機械系統層層打印，最后堆積成產品。

3D打印設備的制造廠商主要集中在美國、德國、日本、瑞典等國家，其中美國的stratasys和3D systems兩家公司的產品占據了絕大多數市場份額。目前國內從事3D打印設備的公司多為代理，真正自主研發的公司并不多。主要從事工業級打印設備制造的公司有湖南華曙高科技有限責任公司以及陜西恒通智能機器有限公司等。

二、3D打印在不同領域的應用

1.制造業。制造業很多需要3D打印產品，因為3D打印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統制造好很多。而3D打印技術本身非常適合大規模生產，所以制造業利用3D技術能帶來很多好處，甚至連質量控制都不再是個問題。“空氣單車”是位于英國布里斯托爾的歐洲航空防務和航天公司采用3D打印機，應用3D打印技術制造出的世界上第一輛打印自行車。

2.航天和國防。GE中國研發中心的工程師們仍在埋頭研究3D打印技術。就在這之前，他們剛剛用3D打印機成功“打印”出了航空發動機的重要零部件。與傳統制造相比，這一技術將使該零件成本縮減30%、制造周期縮短40%。來不及慶祝這一喜人成果，他們就又匆匆踏上了新的征程。鮮為人知的是，他們已經“秘密”研發3D打印技術十年之久了。

3.醫療行業。如果有人出了交通事故，需要更換人造骨骼，從前只有幾種型號的可供選擇，可以使用但并不是完美契合，但是通過獲取患者的圖像數據，用3D打印機可以直接打印出百分百符合的人造骨骼。一位83歲的老人由于患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D打印機“打印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D打印產品做人體骨骼的案例。科學家現在正在嘗試利用3D打印技術直接打印活體組織和新器官，如果變成現實，人類講擺脫疾病。

4.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，同時賦值品也能將藝術或文物的影響傳遞給更多更遠的人。史密斯尼博物館就因為原始的托馬斯·杰斐遜要放在弗吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D打印替代品放在了原來雕塑的位置。

5.食品產業。使用“3D食物打印機”制作食物，可以大幅地縮減從原材料到成品的環節，從而避免食物加工、運輸、包裝等環節中的污染與保存等不利影響。由于烹飪的原料和配料必須放置在打印機的容器內，因此食物原料必須是液體或其他可以“打印”的狀態。隨著食品3D打印的快速發展，各種各樣的食品3D打印機將逐漸開發出來。未來蛋糕店的蛋糕將不是由糕點師手工制作，而是由3D打印機打印出來的，這在勞動力成本越來越高的今天將極具吸引力。

三、3D打印的現狀

3D打印技術自上世紀90年代初傳入我國起，一直深受國內廣大科研工作者的高度重視。從3D打印設備到打印材料研發，以及3D打印與傳統成形相結合的復合成形技術，國內都有深入的研究。如今，3D打印的節材、節能技術特點高度契合我國的可持續發展戰略。因此，國內近期持續掀起3D打印熱，許多企業，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產業中。3D打印技術自上世紀90年代初傳入我國起，一直深受國內廣大科研工作者的高度重視。從3D打印設備到打印材料研發，以及3D打印與傳統成形相結合的復合成形技術，國內都有深入的研究。如今，3D打印的節材、節能技術特點高度契合我國的可持續發展戰略。因此，國內近期持續掀起3D打印熱，許多企業，甚至地方政府也都紛紛踏足到3D打印產業中。

四、3D打印的前景

根據國際快速制造行業權威報告《Wholes Report 2011》發布的調查結果，全球3D行業打印產業產值在1988～2010年期間保持著26.2%的年增長速率。報告預期，3D打印產業未來將持續較快地增長，到2016年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。但3D打印技術要進一步擴展其產業運用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰:一是成本方面，現在3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了一定困難;二是概念方面，現在3D打印技術的概念普及范圍還不是很廣，國內外各個高校也還沒有開設相應課程介紹、學習這門新興技術;三是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，材料選擇的局限性較大，成型品的物理特性也不理想，并且安全方面也存在一定的隱患。隨著智能制造，控制技術，材料技術，信息技術等不斷發展和提升，這些技術也被廣泛地綜合應用與制造工業，3D打印技術也將會被推向一個更加廣闊的發展平臺。

[1]陳立,陳勝遷.未來制造業的新模式.宏觀質量報告,2013.09.14

[2]李青,王青.一種新興的學習技術.遠程教育雜志,2013.08.01

[3]杜宇雷,孫菲菲.3D打印材料的發展現狀.徐州工程學院學報,2014.03.30

[4]李德宇.3D打印的技術現狀與發展趨勢.科技展望,2016.11.30

[5]柳建,雷爭軍.3D打印行業國內發展現狀.制造技術與機床,2015.03.02

[6]史玉升.3D打印技術的工業應用及產業化發展.機械設計與制造工程,2016.02.15

[7]王月圓.3D打印技術及其發展趨勢.科技管理研究,2014.03.20

[8]張學軍.3D打印技術研究現狀和關鍵技術.材料工程,2016.02.20

[9]王康.3D打印技術最新進展.機械設計與制造工程,2015.10.15

[10]李光玲.食品3D打印的發展及挑戰.食品與機械,2015.03.06

[11]孫智強.我國3D打印產業發展現狀及前景展望.江蘇科技信息,2014.03.31

代鈺(1997-)男，漢族，山西大同，本科，西南大學。