3D打印技术的研究现状及发展趋势

刘嘉和+徐铭作+何懿琳+董子恒

摘 要 3D打印正在引发全球制造业革命性变革，该技术通过3D软件建模结合打印机成型，可以灵活地实现不同材料在任意空间上的增材制造，快速、精准地实现产品成型，大大节约原材料和缩短产品制造周期。文章综述了3D打印的几种典型成型技术，以及3D打印技术的应用情况和前景。

关键词 3D打印；增材制造；应用领域；发展趋势

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）204-0104-02

3D打印（Three Dimension Printing，简称3DP）是一种以数字模型为基础，通过数控系统将专用的打印原材料，通过层层打印堆积材料实现实体成型制造。3D打印也被通俗的称为分层制造、增材制造、快速成形或自由成形等。我国早在四五千年以前，就已经开始通过“等材制造”的途径冶铸青铜器皿。18世纪工业革命推动了各种机床的发展，并形成车、铣、刨、磨等工艺实现了材料的“减材制造”。3D打印技术起源于20世纪80年代，1986年美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D打印机并成立了3D Systems公司，开启了“增材制造”时代[1]。经过短短几十年的发展，3D打印技术展现出独特的快速成型技术优势，在国内外掀起新一轮研究热潮。

1 几种典型的3D打印技术

3D打印技术根据成型原理不同所用的原材料以及应用行业也有所不同，目前应用较广的几种典型3D打印成型技术包括[2-3]：

1）熔融沉积打印技术（Fused Deposition Modeling，FDM）。熔融材料三维打印通过加热热塑性丝材至熔融态，经可控运动轨迹的喷头挤出并迅速固化打印材料，沿产品截面切片轮廓和规划的运动轨迹，层层打印叠加形成零件实体成型。FDM打印原材料一般是热塑性材料，如聚乳酸、聚碳酸酯高聚物、尼龙等。这种工艺发展极为迅速，不需要额外激光等高能融化材料，使用维护简单，成本较低。目前FDM系统在全球已安装3D设备中的份额最大。

2）3D打印技术（3D Printing，3DP）。3DP技术采用3D打印机，以粉末（如石膏粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等）和粘结剂为基本成型要素，通过将粘结剂打印在平铺的粉末薄层上，以打印横截面数据在该层创建三维实体模型，随后工作台下降一个单位层厚，再重复下一层打印，逐层堆砌。采用这种技术打印可进行多色彩打印，模型样品所传递的信息较大，是目前最为成熟的彩色3D打印技术，其缺点是零件精度和强度偏低。

3）立体光固化成型技术（Stereo Lithogra phy Appearance，SLA）。立体光固化成型法采用液态光敏树脂原料，其成型时先通过CAD设计出三维模型，并将模型进行切片处理，规划扫描路径，然后控制激光扫描器和升降台的运动轨迹，照射液态光敏树脂使其固化。SLA打印原材料为特定的光敏树脂，打印机及原材料均较贵，成型产品较脆，不易保存，但其打印精度高。主要用于打印小型模具、模型、戒指首饰等小部件。另有DLP激光成型技术和SLA技术相似，不同的是，它使用的固化光源为高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪，其成型时通过光源图案整层固化（面固化）液态光聚合物，而SLA技术依靠控制光源运动轨迹（线固化）固化，因此DLP打印效率更高。此类技术成型精度高，打印产品的精度和粗糙度可达到注塑成型工艺的质量。

4）选区激光烧结/熔融技术（Selective Laser Sintering/Melting，SLS/SLM）。选区激光烧结/熔融技术采用粉末为打印材料，打印过程中，平铺的粉末通过控制高能激光融化规划区域的材料，选择性地融化、烧结材料使之固化，打印完一层再铺粉打印下一层，通过这种过程循环，粉末层层熔融堆积成三维实体。另外，电子束融化技术（Electron Bean Melting，EBM）与SLS/ SLM成型技术类似，不同的是，该技术通过高能电子束加热融化材料。这2种技术成型原理均较复杂，成型条件设备及材料成本高，打印材料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等，其打印产品成型精度高，力学性能好，在航空航天、生物医疗器械等领域具有广泛应用。

2 3D打印技术的应用

目前3D打印技术在工业、医疗、建筑、消费品等诸多领域均有较好的应用，传统制造经常导致一些部件无法制造或者制造成本很高，生产周期很长，但使用3D打印技术可以带来更大的自由度，因此，在很多领域得到了广泛应用[4]。

1）工业领域。在工业领域，3D打印机可以打印出汽车、航天等需要的零件，有效地避免了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端。如以航空工业燃机叶片为例，该叶片拥有十分复杂的内部冷却结构，如果采用常规的流程一般需要2年的时间去设计、开发及测试新款燃机叶片，但通过3D打印我们可以缩短减少90%的原型制作时间。此外在工业制造领域，产品概念设计、快速原型制作、产品功能评估，产品模具制造等均可应用3D打印技术辅助制造。目前铸造领域已有应用3D打印砂型，汽车轮胎模具通过3D打印技术制造等。

2）医疗领域。医疗领域是目前3D打印技术应用主要包括：人体器官模型制造；手术导板及矫正假肢设计制造；仿生个性化植入体制造；含细胞生物打印活体器件以及活体器官；药物筛选模型等。目前在骨科中，已有部分3D打印个性化植入体产品获得了临床批准应用。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打印头骨植入物获得了美国食物和药物管理局（FDA）的批准。2015年11月施乐辉基于CONCELOC技术的REDAPT修正髋臼全孔杯获得了FDA准入。2016年3月10日，全球知名骨科植入产品公司史赛克（Stryker）宣布，该公司开发的3D打印后路腰椎间融合器获得FDA批准，并于2016年上市。2015年由北大三医院和爱康医疗公司合作研发的3D打印人工髋关节产品成为我国首个获CFDA批准的3D打印植入物。endprint

3）建筑領域。建筑领域里，工程师已经开始应用3D打印技术进行建筑模型设计，甚至直接建造，这种方法建筑成本低、建造速度快，材料利用率高。打印建筑与一般的3D打印原理相似，不过原料换成了水泥和玻璃纤维等。2014年4月，上海张江高新青浦园区内技术人员通过打印技术，直接打印出10幢3D建筑，这些建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，经一台大型3D打印机打印层层叠加构建，据悉10幢小屋的打印建造仅仅花费数天时间，而传统建筑途径可能需要上月的时间修建。

4）消费品领域。在消费品领域，许多文化创意和娱乐产品，以及玩具等往往具有复杂的形状和造型，对材料、外形以及色彩表达要求高。传统的制造模式费时费钱，应用3D打印技术则可事半功倍。据报道科幻电影《阿凡达》中的部分道具正是运用3D打印设计制作的。此外，珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造应用持续增长，许多小工具、小玩具甚至小零食都可以由3D打印机直接打印出来。

3 3D打印技术的挑战和前景

尽管3D打印技术目前如火如荼，但是其技术依然面临诸多挑战，例如，其挑战之一在于开发各类3D打印原材料。3D打印的原材料较为特殊，必须能够适应各种打印成型工艺，便于液化、丝化、粉末化制备打印材料，经打印过程后又能重新固化结合。特别是对于医疗器械专用材料，大多需要进行严格的生物学评价，以防止各类生物性风险发生。打印原材料客观上影响和制约着3D打印技术的推广和发展。挑战之二是3D打印缺欠行业标准。例如在医疗器械领域，3D打印医用材料需要进行制定相应的标准，但目前我国尚未没有相关标准可参考。挑战之三是产品技术链尚未完全形成。当前3D打印各个行业中的应用尚处于规模小、合作少、产值低的状态，如何进行跨界整合（包括产品建模设计、打印材料、打印设备、销售、技术维护等），并形成完整的产品开发应用技术链是3D打印技术推广的重要问题。

相比传统制造方式，3D打印技术具有独特的技术优势：1）可有效缩短新产品的开发周期；2）实现特殊的设计和精准制造改善产品性能；3）快捷简便灵活的生产模式。据市场研究公司IQ4IResearch & Consultancy发布的分析报告称，到2022年，3D打印仅在全球医疗领域中将达到38.9亿美元（约合257亿人民币）。英国《经济学人》2012年将3D打印技术誉为“第三次工业革命的重要标志之一”，并称之为“制造业未来的趋势”。美国《时代》周刊将3D打印列为“美国十大增长最快的工业”。因此，3D打印有望引领全球制造业产生革命性变革，相关产业具有光明的发展前景。

4 结论

3D打印技术根据成型技术不同对应有不同的打印原料和设备。3D打印技术目前已广泛应用于工业、航天航空、医疗、建筑及日常消费品等诸多领域，其中航天航空产品以及医疗产品本身具有较为特殊的设计要求，并具有较好的产品附加值，因此该领域方向是未来3D打印技术的一个重点发展领域。

参考文献

[1]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013（1）：62-67.

[2]周长春，王科峰，肖占文，等.3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J].科技创新及应用，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