3D打印技術的研究現狀及發展趨勢

劉嘉和+徐銘作+何懿琳+董子恒

摘 要 3D打印正在引發全球制造業革命性變革，該技術通過3D軟件建模結合打印機成型，可以靈活地實現不同材料在任意空間上的增材制造，快速、精準地實現產品成型，大大節約原材料和縮短產品制造周期。文章綜述了3D打印的幾種典型成型技術，以及3D打印技術的應用情況和前景。

關鍵詞 3D打印；增材制造；應用領域；發展趨勢

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）204-0104-02

3D打印（Three Dimension Printing，簡稱3DP）是一種以數字模型為基礎，通過數控系統將專用的打印原材料，通過層層打印堆積材料實現實體成型制造。3D打印也被通俗的稱為分層制造、增材制造、快速成形或自由成形等。我國早在四五千年以前，就已經開始通過“等材制造”的途徑冶鑄青銅器皿。18世紀工業革命推動了各種機床的發展，并形成車、銑、刨、磨等工藝實現了材料的“減材制造”。3D打印技術起源于20世紀80年代，1986年美國科學家Charles Hull開發了第一臺商業3D打印機并成立了3D Systems公司，開啟了“增材制造”時代[1]。經過短短幾十年的發展，3D打印技術展現出獨特的快速成型技術優勢，在國內外掀起新一輪研究熱潮。

1 幾種典型的3D打印技術

3D打印技術根據成型原理不同所用的原材料以及應用行業也有所不同，目前應用較廣的幾種典型3D打印成型技術包括[2-3]：

1）熔融沉積打印技術（Fused Deposition Modeling，FDM）。熔融材料三維打印通過加熱熱塑性絲材至熔融態，經可控運動軌跡的噴頭擠出并迅速固化打印材料，沿產品截面切片輪廓和規劃的運動軌跡，層層打印疊加形成零件實體成型。FDM打印原材料一般是熱塑性材料，如聚乳酸、聚碳酸酯高聚物、尼龍等。這種工藝發展極為迅速，不需要額外激光等高能融化材料，使用維護簡單，成本較低。目前FDM系統在全球已安裝3D設備中的份額最大。

2）3D打印技術（3D Printing，3DP）。3DP技術采用3D打印機，以粉末（如石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等）和粘結劑為基本成型要素，通過將粘結劑打印在平鋪的粉末薄層上，以打印橫截面數據在該層創建三維實體模型，隨后工作臺下降一個單位層厚，再重復下一層打印，逐層堆砌。采用這種技術打印可進行多色彩打印，模型樣品所傳遞的信息較大，是目前最為成熟的彩色3D打印技術，其缺點是零件精度和強度偏低。

3）立體光固化成型技術（Stereo Lithogra phy Appearance，SLA）。立體光固化成型法采用液態光敏樹脂原料，其成型時先通過CAD設計出三維模型，并將模型進行切片處理，規劃掃描路徑，然后控制激光掃描器和升降臺的運動軌跡，照射液態光敏樹脂使其固化。SLA打印原材料為特定的光敏樹脂，打印機及原材料均較貴，成型產品較脆，不易保存，但其打印精度高。主要用于打印小型模具、模型、戒指首飾等小部件。另有DLP激光成型技術和SLA技術相似，不同的是，它使用的固化光源為高分辨率的數字光處理器（DLP）投影儀，其成型時通過光源圖案整層固化（面固化）液態光聚合物，而SLA技術依靠控制光源運動軌跡（線固化）固化，因此DLP打印效率更高。此類技術成型精度高，打印產品的精度和粗糙度可達到注塑成型工藝的質量。

4）選區激光燒結/熔融技術（Selective Laser Sintering/Melting，SLS/SLM）。選區激光燒結/熔融技術采用粉末為打印材料，打印過程中，平鋪的粉末通過控制高能激光融化規劃區域的材料，選擇性地融化、燒結材料使之固化，打印完一層再鋪粉打印下一層，通過這種過程循環，粉末層層熔融堆積成三維實體。另外，電子束融化技術（Electron Bean Melting，EBM）與SLS/ SLM成型技術類似，不同的是，該技術通過高能電子束加熱融化材料。這2種技術成型原理均較復雜，成型條件設備及材料成本高，打印材料可以是尼龍、蠟、陶瓷、金屬等，其打印產品成型精度高，力學性能好，在航空航天、生物醫療器械等領域具有廣泛應用。

2 3D打印技術的應用

目前3D打印技術在工業、醫療、建筑、消費品等諸多領域均有較好的應用，傳統制造經常導致一些部件無法制造或者制造成本很高，生產周期很長，但使用3D打印技術可以帶來更大的自由度，因此，在很多領域得到了廣泛應用[4]。

1）工業領域。在工業領域，3D打印機可以打印出汽車、航天等需要的零件，有效地避免了傳統零部件研測高投入和長耗時的弊端。如以航空工業燃機葉片為例，該葉片擁有十分復雜的內部冷卻結構，如果采用常規的流程一般需要2年的時間去設計、開發及測試新款燃機葉片，但通過3D打印我們可以縮短減少90%的原型制作時間。此外在工業制造領域，產品概念設計、快速原型制作、產品功能評估，產品模具制造等均可應用3D打印技術輔助制造。目前鑄造領域已有應用3D打印砂型，汽車輪胎模具通過3D打印技術制造等。

2）醫療領域。醫療領域是目前3D打印技術應用主要包括：人體器官模型制造；手術導板及矯正假肢設計制造；仿生個性化植入體制造；含細胞生物打印活體器件以及活體器官；藥物篩選模型等。目前在骨科中，已有部分3D打印個性化植入體產品獲得了臨床批準應用。2013年3月11日，牛津性能材料公司宣布，他們使用特殊聚醚酮酮PEKK材料3D打印頭骨植入物獲得了美國食物和藥物管理局（FDA）的批準。2015年11月施樂輝基于CONCELOC技術的REDAPT修正髖臼全孔杯獲得了FDA準入。2016年3月10日，全球知名骨科植入產品公司史賽克（Stryker）宣布，該公司開發的3D打印后路腰椎間融合器獲得FDA批準，并于2016年上市。2015年由北大三醫院和愛康醫療公司合作研發的3D打印人工髖關節產品成為我國首個獲CFDA批準的3D打印植入物。endprint

3）建筑領域。建筑領域里，工程師已經開始應用3D打印技術進行建筑模型設計，甚至直接建造，這種方法建筑成本低、建造速度快，材料利用率高。打印建筑與一般的3D打印原理相似，不過原料換成了水泥和玻璃纖維等。2014年4月，上海張江高新青浦園區內技術人員通過打印技術，直接打印出10幢3D建筑，這些建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，經一臺大型3D打印機打印層層疊加構建，據悉10幢小屋的打印建造僅僅花費數天時間，而傳統建筑途徑可能需要上月的時間修建。

4）消費品領域。在消費品領域，許多文化創意和娛樂產品，以及玩具等往往具有復雜的形狀和造型，對材料、外形以及色彩表達要求高。傳統的制造模式費時費錢，應用3D打印技術則可事半功倍。據報道科幻電影《阿凡達》中的部分道具正是運用3D打印設計制作的。此外，珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造應用持續增長，許多小工具、小玩具甚至小零食都可以由3D打印機直接打印出來。

3 3D打印技術的挑戰和前景

盡管3D打印技術目前如火如荼，但是其技術依然面臨諸多挑戰，例如，其挑戰之一在于開發各類3D打印原材料。3D打印的原材料較為特殊，必須能夠適應各種打印成型工藝，便于液化、絲化、粉末化制備打印材料，經打印過程后又能重新固化結合。特別是對于醫療器械專用材料，大多需要進行嚴格的生物學評價，以防止各類生物性風險發生。打印原材料客觀上影響和制約著3D打印技術的推廣和發展。挑戰之二是3D打印缺欠行業標準。例如在醫療器械領域，3D打印醫用材料需要進行制定相應的標準，但目前我國尚未沒有相關標準可參考。挑戰之三是產品技術鏈尚未完全形成。當前3D打印各個行業中的應用尚處于規模小、合作少、產值低的狀態，如何進行跨界整合（包括產品建模設計、打印材料、打印設備、銷售、技術維護等），并形成完整的產品開發應用技術鏈是3D打印技術推廣的重要問題。

相比傳統制造方式，3D打印技術具有獨特的技術優勢：1）可有效縮短新產品的開發周期；2）實現特殊的設計和精準制造改善產品性能；3）快捷簡便靈活的生產模式。據市場研究公司IQ4IResearch & Consultancy發布的分析報告稱，到2022年，3D打印僅在全球醫療領域中將達到38.9億美元（約合257億人民幣）。英國《經濟學人》2012年將3D打印技術譽為“第三次工業革命的重要標志之一”，并稱之為“制造業未來的趨勢”。美國《時代》周刊將3D打印列為“美國十大增長最快的工業”。因此，3D打印有望引領全球制造業產生革命性變革，相關產業具有光明的發展前景。

4 結論

3D打印技術根據成型技術不同對應有不同的打印原料和設備。3D打印技術目前已廣泛應用于工業、航天航空、醫療、建筑及日常消費品等諸多領域，其中航天航空產品以及醫療產品本身具有較為特殊的設計要求，并具有較好的產品附加值，因此該領域方向是未來3D打印技術的一個重點發展領域。

參考文獻

[1]黃健，姜山.3D打印技術將掀起“第三次工業革命”[J].新材料產業，2013（1）：62-67.

[2]周長春，王科峰，肖占文，等.3D打印技術在生物醫學工程中的研究及應用[J].科技創新及應用，2014（21）：41-42.

[3]Huang，S.H.，Liu，P.et.al.Additive manufacturing and its societal impact：a literature review[J].Int J Adv Manuf Technol.2012，67（5-8）：1191-1203.

[4]Guo，N.，Leu，M.C.Additive manufacturing：technology，applications and research needs.Front Mech Eng.2013，8（3）：215-243.endprint