3D 打印技術的研究現狀與發展趨勢綜述

李文竹 張勇（通訊作者） 李策 通化師范學院物理學院

引言

3D 打印技術以數字化模型為基礎來構建實體，利用粉末狀金屬、塑料或尼龍等可粘合材料，通過逐層打印累加的方式來任意構造物體的新興技術。近些年來，美國、德國等國家掀起了3D 打印的狂潮，隨著21 世紀社會的迅猛發展，3D 打印技術已經逐步走向成熟，各項技術逐漸被完善。目前，3D 打印技術正在改變著很多人的生產生活方式，在醫學、考古、文物、建筑與制造、航天航空等方面都發揮了至關重要的作用。醫生通過3D 打印技術制作病毒、細胞、骨骼和器官等模型。

3D 打印的出現，催生了眾多新穎的設計理念，推動了社會許多新型開發技術產業的發展。伴隨著社會日新月異的發展，3D 打印技術終將改變著人們的生活方式以及產品的生產方式，進一步改變著國家乃至世界的經濟發展方式和格局。

1 3D 打印技術的原理

3D 打印的運行過程：

(1）建立三維模型

確定三維模型的軟件不是唯一的，建立三維模型可以使用CATIA、AutoCAD、SkethUP 等三維建模軟件，也可以使用Z Crop或者3D Cemega 等3D 掃描設備來獲取對象的三維數據，經過一系列的數據處理，以數字化的方式生成所需的三維模型。

(2）分層切割

3D 打印機并不能直接將物體通過3D 打印的方式打印出來，而是要通過打印機專門配置的軟件來進一步處理，通過三維數字模型，將模型分為一個個的二維圖形，一個個二維圖形就成了一層層的薄片，每個薄片的厚度由打印機的規格和噴涂材料的屬性決定。

(3）創造三維模型

三維模型的實現方式是根據不同的原理，引發不同的生產方式。第一種方法是利用3D 打印機將需要打印的材料和特制材料的膠水按照先前所提供二維圖形信息，通過層層疊加在一起形成最終的三維模型；第二種方法是通過使用高能激光融化合金材料，再一層層地熔結形成三維模型。

(4）后期處理加工

每個模型在打印完成之后表面都會有變得粗糙或者產生殘留、出現毛刺的現象，這都需要對模型進行再加工，比如修整、打磨、固化處理等。

2 3D 打印技術的發展現狀

2.1 3D 打印在生物醫學方面的發展

在醫學領域，3D 打印能夠制作人體器官的替換品。3D 打印技術可以打印出人體的骨骼，也就是我們常說的人造骨骼，這種骨骼不僅可以代替原本的骨骼讓肌肉生長，還能修復之前骨骼細胞的損傷，待原本的骨骼生長完全之后，它還可以在身體里面自然地和肌肉溶解在一起，不會給人體造成壓力，也不會產生副作用。2013 年，世界上首例使用3D 打印制作骨骼的人造下顎成功地替換了受損骨骼，病人成功得到了救治。

2.2 3D 打印技術在航空航天領域的發展

在航天航空方面，有許多先進的零件需要加工，而我們現有的技術還不足以加工很復雜的零件，因此，3D 打印技術就能彌補傳統工業上的缺陷，制造精密熔模鑄造的原型。在中國突破了超高強度鋼、鈦合金等難加工的大型復雜重要部件的關鍵技術，在其他國家，3D 打印技術能夠給波音公司制造出幾百種復雜的零部件。2013 年，美國一研究人員利用3D 打印技術，使用高功率激光束將細金屬粉末進行熔化并融合成3D 打印發動機噴射器，并測試成功，此次測試的成功解決了噴射器制作工作量大、制作時間長、成本高等傳統工業遇到的問題。

3 3D 打印技術的發展淺析

3.1 3D 打印技術的優點

近年來，3D 打印發展的愈加迅速，這項技術廣泛應用于各個行業，其顛覆了傳統的生產模式和供應格局，這無疑促使了現代化的生產技術取得顯著性進步。不需要傳統的工具，直接呈現出來的是三維立體物體，可以自動地將計算機中的三維設計轉化為實際模型，甚至直接轉化為無需加工的零部件，從而有效的縮短了產品的研發與制造周期，高效地利用新型材料，幫助3D 打印技術更好更快發展。

3.2 3D 打印技術的缺點及解決辦法

3D 打印作為一種現代新興技術在給我們帶來便利的同時，多方面也存在著一些不足需要去探索糾正。就3D 打印的應用范圍來說，雖然應用的方面很廣，但仍然有許多不發達地區了解不到3D 打印的具體功能和作用，這項技術并不能遍及我國的大部分地區，3D 打印很難在短時間內遍布各地，得不到良好的發展。

其次，在技術方面：常見的熔融沉積技術精度較差，速度較慢；立體光固化技術耗材成本較高，強度較低，材料強度和耐久度較低；在環保和能耗方面，目前市場上普遍使用的3D 打印機需要連續工作28 小時才能打印出一個大小約30 厘米的不規則立體塑料模型，在激光燒結金屬時，需要將材料預熱到熔化點，才能使用激光再一層層地掃描，造成了大量的不必要的能源消耗，而被消耗的材料無法進行回收，浪費了許多材料。

總的來說，3D 打印出現問題的根本原因大多數是發生在打印材料本身上的，這就需要研究者進一步對打印技術的材料進行全面的研究。

針對我們目前對3D 打印材料出現的問題，需要從以下幾個方面來解決：

(1）對現有的可以進行3D 打印材料的性能加深了解，從而剖析其真正的實用性。例如材料的密度、強度、耐腐蝕性、熔點和物理性能等。由于3D 打印技術應用的范圍較廣，模型不同，工藝要求就不同，材料就不同，各取所需。

(2）繼續開發新型材料，比如許多優質的合金材料、復合材料、納米材料、梯度材料等，讓越來越多的材料都可以實現3D 打印。材料的性質對3D 打印技術的發展起著無庸置疑的關鍵作用。為使得3D 打印技術能夠更加環保節能的發展，還可以充分發揮利用新能源的優勢，將3D 打印技術與太陽能能源相結合，實現3D 打印技術和太陽能能源之間的相互利用。

(3）給3D 打印制定專業的行業性標準。標準是技術發展創新和產業化的橋梁和紐帶。國家工信部在2015 年2 月聯合發改委及財政部發布了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016 年）》，明確指出我國3D 打印技術的發展目標及方向，主要核心技術還有待突破，許多器件、工藝，設備等產業基礎薄弱，標準體系有待完善。

4 總結

3D 打印是一種快速生成技術，對不少領域的發展都起了舉足輕重的作用。本文對3D 打印技術的原理過程進行了介紹，還對3D 打印技術在三個領域發展的現狀進行了闡述，比較詳細地在幾個方面分析了其優勢和不足，并指出關于3D 打印技術問題解決的關鍵是3D 打印材料的不完善。總之，喜憂參半，3D 打印技術在現有的基礎上，還需權衡利弊，繼續努力。雖然現有的技術不能完全推動3D打印技術良好發展，3D 打印也面臨著很多困難，但我們要相信，隨著社會的飛快進步，很多問題都會迎刃而解的。