3D打印技術與產業的發展及前景分析

摘要：3D打印技術也被稱為增材制造技術，其應用范圍與蜂窩通訊產業一樣廣泛。3D打印已被發現是一個針對任何領域所發生問題的快速的降低成本效益的解決方案。3D打印的應用越來越多，這是一個非常令人興奮的技術期待。筆者在文中介紹了3D打印技術員如何運用3D打印機進行3D打印工作、目前3D打印技術及其產業的發展狀況以及分析了3D打印技術在未來的應用。

關鍵詞：3D打印技術；3D打印的原理；3D打印的發展及前景

引言

3D打印機打印的對象有數字模板和三維物理模板。印刷是用塑料、金屬、尼龍和一百多種其他材料一層一層地進行的（增材制造）。3D打印技術已被發現并在制造業、工業設計、珠寶、鞋類、建筑、工程和建筑、汽車、航空航天、牙科和醫療、教育、地理信息系統、土木工程等許多領域運用。然而，3D打印技術需要一個有能力的人來制作數字文件和進行最終打印。

1. 3D打印技術

3D打印或增材制造是通過一個數學模型將不同形狀的材料層進行連續鋪設從而轉變為三維實體的一個過程。傳統的加工技術依賴于通過切割或鉆孔等方法去除材料，而3D打印層是相繼添加的，因此，它使用分層技術，一層一層地構造對象，直到生成完整的對象。這樣，3D打印使我們從大規模生產線轉向一次性定制生產。可以這么說，你可以制作任何東西，無論是房子還是巧克力條。最初的3D打印機是在20世紀80年代進行使用的，最早的3D打印機的使用是由計算機跟蹤浸沒在液體聚合物中的圖形，由于激光的作用，使追蹤到的圖案硬化成紫菜，這就是如何用塑料制造出一個物體的方法。從那時起，3D打印技術取得了巨大的進步，現在使用的材料擠壓就是通過這種方法進行的。

有趣的是，隨著技術的進步，購買3D打印機的成本一直在下降。國內3D打印機的使用率一直在上升，平均一臺3D打印機的成本幾百美元不等。然而，一個主要的缺點是，打印3D實體需要專業的知識。也就是說，3D打印技術需要一個有能力的人來制作數字文件和進行最終打印。

2. 3D打印技術的工作原理

進行3D打印時首先對要創建的對象進行虛擬設計，虛擬設計用作要創建的物理對象的模板，這種虛擬設計可以使用三維建模程序如CAD（計算機輔助設計）從頭開始創建設計。或者，3D掃描儀可以用于現有對象，掃描儀可以對物體進行三維數字復制，并將其放入三維建模程序中。然后，模型被切成成百上千的臥式切片并準備打印。這樣，這個準備好的文件就被上傳到了3D打印機中，進而3D打印員將看到打印機一層一層地創建3D對象。而且，打印機讀取每個切片（2D圖像），然后逐層創建對象，結果對象沒有可見分層的跡象，而是一個三維結構。

3. 3D打印技術的產業發展及前景分析

3.1 3D打印技術的產業發展

3D打印技術已經應用到各個領域。

（1）汽車工業和航空航天工程領域。3D打印機在該領域的商業用途也在不斷增加。例如，汽車和航空航天工業正在制造零部件[1]，從而提高了規模經濟。3D打印正在改變工業生產線的工作方式，這使得一些分析師將3D打印機的出現稱為第二次工業革命。

（2）醫學領域。從仿生學到假肢再到數字牙科。不可避免地，這正積極地影響和改變著醫學的方方面面。雖然3D打印技術的大部分工作仍處于探索階段，但專家預測，3D打印工具的集成將給未來的醫學帶來革命性的變化。

（3）制造領域。3D打印技術使得現在的制造可以跳過原型階段，直接進入最終產品。汽車和飛機零件制造公司正在使用3D打印技術以一種快速和有效的方式進行汽車及飛機零件的打印。因為客戶可以編輯數字設計文件并發送給制造商，所以定制的產品可以得到快速生產。諾基亞公司已經率先在這一領域制造和發布其三維設計文件從而使得其最終用戶可以定制它的規格以及獲得特殊的3D打印產品。

（4）家庭使用。3D打印機可以在家里用來制作小物件，如裝飾品，如項鏈和戒指。小型塑料玩具也可以在家里打印。在未來，人們將能夠在家里打印自己的產品，而不是從商店購買。

（5）服裝領域。時裝業也未能幸免，3D打印服裝正在制作中，時尚設計師正在嘗試使用3D打印機打印背帶褲、鞋子和連衣裙。耐克2012年推出的蒸汽激光鷹爪足球鞋和新百倫公司（New Balance）為運動員定制的運動鞋也是使用了3D原型進行打印的，由此可見，這項生產是在商業規模上進行的。

（6）3D打印技術現在正被納入學習課程。學生現在可以應用印刷分子模型用塑料齒輪對他們的3D模型原型進行打印，這有助于學生的學習過程。由于3D打印技術可以實際地向學生進行展示，所以學生能夠更好地理解3D打印的概念。

3.2 3D打印技術的發展前景

（1）制造業。3D打印行業將迎來前所未有的市場增長，市場分析人士預測，制造行業將同比增長18%。預計到2025年，3D打印零件市場規模將達到84億美元。汽車零部件和航空航天[2]將在零部件銷售預測中處于領先地位。

（2）3D打印器官。干細胞研究與3D打印技術的結合，將在未來產生可移植的人體器官[3]。真正的身體功能部件將能夠通過3D打印制造出來。

（3）貿易。亞馬遜建立了一個3D打印機商店，消費者可以以自己的數字3D設計文件為基礎打印產品并向商店支付費用，這將徹底改變產品的供應方式。

結束語：

3D打印行業正步入增長軌道，隨著研究的不斷深入，3D打印的應用越來越廣泛。亞馬遜提出的商店模型證明了3D打印將改變人們購買產品的方式，3D打印技術的貿易領域的領跑人絕對是一個游戲規則的改變者。筆者認為，有很多3D打印技術的前景是值得期待的。

參考文獻

[1]申超，全斌義，雷振華.3D打印在汽車零部件中的應用[J].時代汽車，2019，03：143-145.

[2]明越科，段玉崗，王奔，肖鴻，張小輝.高性能纖維增強樹脂基復合材料3D打印[J].航空制造技術，2019，6204：34-38+46.

[3]唐超蘭，溫竟青，張偉祥，楚瑞坤，孫梅.鈦合金3D打印成形技術及缺陷[J].航空材料學報，2019，3901：38-47.

作者簡介：曹晨茜（1990-），女，漢族，陜西西安；陜西省石油化工研究設計院，碩士研究生，研究方向：工程設計。

（作者單位：陜西省石油化工研究設計院）