李寶赫 林益恒

摘要：21世紀(jì)以來，全世界圍內(nèi)都掀起了利用3D打印技術(shù)進(jìn)行二維建模打造實體的熱潮。3D打印自誕生至今，作為一種新型的高科技技術(shù)，在眾多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。許多國家將其視為第三次科技革命的新制高點，更因為其具有應(yīng)用的廣泛性、價值性和普及性的特點廣泛受到人們的關(guān)注和熱切的討論。本文針對3D打印技術(shù)的特點，探討了其在教育、醫(yī)學(xué)、航坑、日常生活等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：3D打印;發(fā)展現(xiàn)狀;應(yīng)用趨勢

1 3D打印的概述

3D打印是能夠有效地將數(shù)字化二維模型實體化的一種快速成型技術(shù)，它在設(shè)計和制造物體方面表現(xiàn)十分高效，又稱增材制造。3D打印的工作原理就是將一個三維的幾何拆分為若干個二維的平面，依據(jù)拆分對象的三維數(shù)據(jù)對打印對象進(jìn)行逐層加工，利用成形設(shè)備層層材料堆積而形成所需要的立體模型，制造出實體三維模型。通俗一點來說，就像是現(xiàn)今社會上普遍存在的普通打印機(jī)，可以打印出紙面（即二維空間）上的任意圖畫，3D打印就是將三維幾何切分成一個個二維平面進(jìn)行打印，然后將平面進(jìn)行順序疊加，最終制造出一個實體立體幾何模型。3D打印采用的是增材制造的方式，和采用減材制造的傳統(tǒng)工藝有所不同，它在實現(xiàn)原材料的高效利用上具有重要意義，節(jié)約能源，是一種更加符合現(xiàn)代化建設(shè)的制造方式。目前為止，發(fā)展的3D打印技術(shù)類型有熔融沉積式（FDM）、分層疊加式（GLOM）、光敏樹脂固液化成式（SLA）、選擇性粉末激光燒結(jié)式（SLS）、激光選區(qū)融化式（SLM）等[1]。

自3D打印技術(shù)產(chǎn)生以來，就是作為人類社會文明的一次重大突破而存在的。僅僅幾十年的時間，3D打印技術(shù)就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個不同的領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著影響。同時，隨著社會的進(jìn)步，3D打印技術(shù)快速且廣泛的被大眾所關(guān)注、討論和接受，3D打印機(jī)的價格也不斷下降，更為其普及程度作出貢獻(xiàn)，使更多普通用戶能夠體驗到制造三維立體模型的所帶來的新奇感與愉悅感?，F(xiàn)如今3D打印技術(shù)的普遍應(yīng)用，不僅僅是因為它更為多樣化的材料選擇和加工方式更加符合現(xiàn)代化道路的發(fā)展，也是因為它是人類文明歷史上前所未有的一種生產(chǎn)生活方式和理念。準(zhǔn)確來講，3D打印并非是一種全新的技術(shù)，與其稱它為新，不如稱它是綜合性生產(chǎn)方式，畢竟它綜合了現(xiàn)代計算機(jī)、激光、材料等多種先進(jìn)技術(shù)[2]?？梢哉f3D打印是一種應(yīng)運而生的綜合型生產(chǎn)技術(shù)，是人類文明進(jìn)步的體現(xiàn)。甚至有學(xué)者認(rèn)為，人類社會的第三次工業(yè)革命將由3D打印技術(shù)來引領(lǐng)。3D打印技術(shù)的重要性也顯而易見了，它在航空航天、食品、醫(yī)學(xué)、考古、制造、生活藝術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，在未來數(shù)十年都將會成為全球范圍內(nèi)的重要的研究課題[3]。

2 3D打印的優(yōu)缺點

與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)具有明顯的優(yōu)點：

（1）3D打印具有理論全能制造性：即理論情況下，沒有3D打印機(jī)制造不出來的立體幾何模型，只有計算機(jī)設(shè)計不出來的，也就是計算機(jī)所設(shè)計出來三維圖案不管有多復(fù)雜都可以通過3D打印技術(shù)制造出來。當(dāng)然，這一切都是在不受材料限制的基礎(chǔ)之上成立的[4]。

（2）打印的精準(zhǔn)性：3D打印技術(shù)打印出的產(chǎn)品最薄可以達(dá)到0.025mm，又因其基于數(shù)據(jù)模，以及與掃描技術(shù)相結(jié)合的特點，使其制造的產(chǎn)品具有極高的精確性，使打印對象的實物還原能力達(dá)到了最高。這使得它更適用于醫(yī)學(xué)、航空航天方面零件的制造，進(jìn)而為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了更高的安全性。

（3）選材的多樣性：3D打印技術(shù)的選材不像普通打印機(jī)一樣局限于噴墨，它可以實現(xiàn)用各種不同的材料進(jìn)行打印，如金屬粉末、陶瓷、光敏樹脂等，這就為滿足不同領(lǐng)域的需求提供了條件。

（4）打印的瞬時性：3D打印機(jī)可以根據(jù)需要，快速的產(chǎn)生反應(yīng)以滿足工廠、企業(yè)的需求，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)更加靈活。往往，利用3D打印技術(shù)運行的制造工藝（制造配件）直接與生產(chǎn)工藝（安裝配件，制成成品）相結(jié)合，會大額減少物流運輸?shù)某杀?，包括金錢和時間。

（5）生產(chǎn)成本低：不同于減材制造的傳統(tǒng)工藝，3D打印采用的是增材制造的加工方式，避免了額外材料的浪費，實現(xiàn)了對原材料的百分之百利用。除了在原材料方面的成本降低，如果能夠?qū)崿F(xiàn)就地取材、制造、生產(chǎn)，這期間的物流運輸成本也會大幅度下降[5]。

事事都有兩面性，3D打印有它的優(yōu)勢，也必然有它的劣勢：

（1）打印設(shè)備成本高：至今為止，3D打印設(shè)備仍然處于較高價格，這就阻礙了一些小型工廠、公司在工業(yè)化生產(chǎn)過程中對它的應(yīng)用，對其發(fā)展造成了不小的困難，使得對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣增加了難度。

（2）制作精度低：3D打印技術(shù)主要是通過控制原材料冷卻以制成幾何模型，然而融化的高溫液體或粉末易凝固，不易控制其冷卻成型，導(dǎo)致了制造成品的精度略低，進(jìn)而造成工作效率低下。這一方面仍需進(jìn)一步的發(fā)展改進(jìn)。

（3）材料選擇具有局限性：3D打印主要所應(yīng)用的材料有金屬粉末、光敏樹脂、塑料、陶瓷等一些容易融化的材料，而一些難以融化的材料就不能加以應(yīng)用，并且，現(xiàn)有可利用材料在物理、化學(xué)性能方面仍存在不足之處。

（4）能源浪費：3D打印會使用到聚合物材料，工業(yè)化生產(chǎn)中對于3D打印技術(shù)的應(yīng)用要使用激光器進(jìn)行高溫處理，這就會使它多產(chǎn)生相對于注塑機(jī)的傳統(tǒng)注塑工藝而言接近三分之二的廢注塑材料。并且，在打印的過程中，會消耗掉大量的能源[6]。

3 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用趨勢

3.1 航空航天領(lǐng)域

3D打印技術(shù)能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，制造出高精度的產(chǎn)品，在航空航天領(lǐng)域可用來加工制造一些復(fù)雜先進(jìn)的機(jī)械零部件，進(jìn)而改善傳統(tǒng)制造加工業(yè)中所存在的缺陷。2012年，美國通用電氣公司采取了激光選區(qū)融化打印技術(shù)（SLM），以此作為LEAP噴氣式發(fā)動機(jī)制造了航空發(fā)動機(jī)葉片，這一葉片較于之前具有更加復(fù)雜的內(nèi)置流道結(jié)構(gòu)，這一技術(shù)的應(yīng)用也使得他們有底氣接收了LEAP噴氣式發(fā)動機(jī)訂單超過4000臺。2013年，美國航天的科研人員也成功的將3D打印技術(shù)應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)噴射器的制造。并有相關(guān)科研報告表示，采用3D打印技術(shù)所制造的發(fā)動機(jī)噴射器相比于利用傳統(tǒng)工業(yè)所制造的不僅僅具有更高的質(zhì)量和性能，而且也降低了制造成本，工作量和制作周期通通都有了不同程度的縮減。2013年，我國也將3D打印技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)關(guān)鍵欽合金構(gòu)件制造，這可以說是我國在這一領(lǐng)域的一重大突破[7]。到目前為止，我國在大型復(fù)合航空金屬零件和3D打印技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)研究上，都取得了不小的成就。02757063-5DE6-40F0-A09E-535A2B7CF61B

3.2 食品領(lǐng)域

3D打印可以制作出食品，將為大眾帶來更加便捷的生活方式。3D打印機(jī)打印食品的時候，是將食品原料調(diào)配成泥漿的形式，以此作為打印原材料，然后導(dǎo)入預(yù)先設(shè)計的數(shù)據(jù)模型，依據(jù)數(shù)據(jù)模型再對原材料進(jìn)行攪拌或者是將原材料注塑到已經(jīng)成型的模具之中，然后進(jìn)行烘烤。與手工制作的食品相比，利用3D打印技術(shù)制造的食品在外觀和口味上并沒有什么差別，但是制作成品的表面難免會有輕微的瑕疵，可能會影響用餐者的食欲。巴塞羅那的一家自然機(jī)器公司所制造出的食品打印機(jī)Food in 3D可以用來打印烘烤糕點、巧克力、漢堡等一些軟質(zhì)材料的食品?，F(xiàn)如今也已有相關(guān)科研技術(shù)人員利用3D打印技術(shù)制造出了受現(xiàn)代社會年輕人歡迎的披薩餅。當(dāng)然，打印食品也具有一定的限制，一般適用于對軟質(zhì)材料的食品，如面包、漢堡、糕點等[8]。3D打印技術(shù)在食品方面的應(yīng)用，也在無形之中逐漸改變著人們的傳統(tǒng)飲食方式，使飲食方式也更加符合現(xiàn)代化。

3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

迄今為止，3D打印已可用于打印手術(shù)輔助器械、人體器官、定制假體。在一些外科領(lǐng)域，如骨科、口腔科等，已經(jīng)出現(xiàn)了不少利用3D打印的成功案例。利用3D打印技術(shù)所打印的骨骼，可以作為人體骨骼的一個暫時的替代品，支撐作用不亞于人體骨骼，而當(dāng)人體受傷的骨骼重新恢復(fù)之后，打印出的骨骼也會自然溶解，這一材料對人體自然是無害的。2013年，一位下顎骨感染患者被成功救治，這是3D技術(shù)產(chǎn)生以來首次成功救治病人。德國在利用3D打印技術(shù)打印人體血管這一方面取得了重大突破，3D打印技術(shù)打印半月板等人體軟骨組織在美國也逐漸開始普及。利用3D打印技術(shù)制作人體模板，可以讓醫(yī)生在做手術(shù)之前先練習(xí)一次，增加熟練度，增強(qiáng)醫(yī)生的信心，減輕他們的心理負(fù)擔(dān)，減少失誤率，提高手術(shù)成功率。利用3D打印技術(shù)打印假體相比于傳統(tǒng)制造工藝也具有更多優(yōu)點。比如打印下領(lǐng)骨內(nèi)置物，運用醫(yī)學(xué)上的CT掃描技術(shù)可以獲得相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，3D打印利用這個數(shù)據(jù)可以制作出實體幾何模型，這種依據(jù)自身情況所制作出的內(nèi)置物與原骨骼具有較高的適配性，可以更好的修復(fù)人體內(nèi)缺損的骨骼，進(jìn)而對整體骨骼對象的力學(xué)性能和生理性能進(jìn)行重建。

3.4 考古領(lǐng)域

同樣，3D打印技術(shù)在考古領(lǐng)域中占有一席之地，特別是破損的古文物，修復(fù)后成果極其顯著。其方便之處在于操作簡單、成型快速，也就是說文物一經(jīng)掃描即可掌握所有的數(shù)據(jù)采集并對其進(jìn)行處理，高度還原的建立相應(yīng)的模型，然后打印出來。例如一件被打碎的但極具厲史價值的獅子造型瓷器被美國兩位技術(shù)人員應(yīng)用此技術(shù)成功修復(fù)。與此同時，我國亦有成功案例，杭州技術(shù)公司將天龍山石窟破損比較嚴(yán)重的石像成功還原。隨著考古和3D打印技術(shù)的不斷融合，二者共同成熟發(fā)展，對于人類古代文明的修復(fù)還原和保護(hù)不可或缺[9]。

3.5 制造領(lǐng)域

在制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)應(yīng)用廣泛，相比于傳統(tǒng)模式的制造工藝，這樣不僅可以省略制造過程中的切割材料，部件組裝等過程，節(jié)省大量時間，還可以降低成本，讓在有限的工作時間內(nèi)進(jìn)行更大的規(guī)模的生產(chǎn)。目前，世界各國已有成功利用3D打印技術(shù)制造出汽車，船只等很多交通工具的案例。甚至，近期還有大學(xué)成功打印出了精密的機(jī)器人。

3.6 生活領(lǐng)域

3D打印有很大的應(yīng)用前景，一旦3D打印技術(shù)可以成熟應(yīng)用后，將會對我們的生活產(chǎn)生翻天覆地的改變。在日常生活中，我們可以利用3D打印技術(shù)將自己的獨一無二的創(chuàng)意實現(xiàn)，可以打造屬于自己的專屬生活用品，戒指，手機(jī)殼，項鏈，等物品賦予更多的個人意義。目前為止，英國技術(shù)人員已經(jīng)成功打印出了一套音樂擴(kuò)音器。相信將來的3D打印技術(shù)一定會給我們的生活帶來更多的改變和便利。

3.7 其他領(lǐng)域

其實3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，它還可以應(yīng)用于建筑、時尚、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域。我們可以應(yīng)用3D打印技術(shù)快速高效的完成一棟建筑，可以使城市的建造和擴(kuò)建更迅速。在時尚領(lǐng)域，設(shè)計師們可以利用此技術(shù)快速將自己的靈感實現(xiàn)，無論衣服還是鞋子，都可以在你眼前呈現(xiàn)。在教育領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以打印出教材和書本，節(jié)省大量的樹木，也為教育帶來便利[10]。

4 結(jié)語

當(dāng)今社會，3D打印已然成為一項新興產(chǎn)業(yè)，它有著廣闊的發(fā)展前景。雖然它的缺點猶在，在選材、能源方面略顯不足，但是它在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、制造領(lǐng)域以及其他多方面領(lǐng)域的優(yōu)點也是其他生產(chǎn)方式所無法比擬的。并且，在不久的將來，我相信，將會出現(xiàn)更多的應(yīng)用成功案例，像是在生物科學(xué)領(lǐng)域，出現(xiàn)3D打印活體組織或器官技術(shù);在航天領(lǐng)域，打印一些大型的機(jī)械零件來極大得降低生產(chǎn)成本，甚至是打印出太空廚房來節(jié)省時間，這都是有可能的。

當(dāng)然，3D打印技術(shù)也還有著很大的發(fā)展空間，各國科研人員仍需花費時間、力氣來研究克服3D打印的自身不足。尤其對于我國來說，我國的3D打印技術(shù)的發(fā)展仍有待提高，與其他國家相比，我國的這項技術(shù)，仍然不夠成熟，現(xiàn)在仍然處于探索階段，需要改進(jìn)和發(fā)展的地方還有很多，需要不斷的去探索3D打印技術(shù)在更多領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，大范圍實現(xiàn)3D打印技術(shù)。但在如今面臨著3D打印技術(shù)普及程度較低的情況之下，我國應(yīng)將3D打印技術(shù)的發(fā)展推廣先擺放在第一位，跟上時代的步伐，順應(yīng)科技時代發(fā)展的潮流，爭取能夠在國際上成為領(lǐng)頭羊，引領(lǐng)科學(xué)研究、技術(shù)的發(fā)展，走在世界的前沿。以及推廣3D打印技術(shù)在大眾之間流行，讓其被更多的人所了解，所應(yīng)用。當(dāng)然，提高科研技術(shù)，選擇合適材料，降低3D打印設(shè)備的成本，真正使它成為一項便民的工具，而不是口頭上的一項快捷工具。待3D打印克服自身劣勢，迎接他的將是更加廣闊的發(fā)展空間，這一技術(shù)也終將改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。

參考文獻(xiàn)

[1]李小麗，馬劍雄，李萍.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].自動化儀表，2016（01）：1-5.

[2]劉金暢.3D打印技術(shù)以及應(yīng)用趨勢[J].電腦知識與技術(shù)，2014（34）：8315-8316.

[3]張秀萍，梁杰.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015（03）：85-87

[4]王東峰.3D打印技術(shù)發(fā)展瓶頸分析[J].機(jī)械工程師，2017（07）：54-55.

[5]常水泉.3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（08）：50-51.

[6]楊德建，劉仁洪.大型復(fù)雜金屬零件3D打印技術(shù)及研究進(jìn)展[J].兵工自動化，2017，36（02）：8-12.

[7]李光玲.食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械，2015，31（01）：231-234.

[8]郭日陽.3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)前景口[J].自動化儀表，2015，36（03）：5-8.

[9]劉煥寶，周惠興，劉小龍.3D打印在食品行業(yè)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)文摘一農(nóng)業(yè)工程，2017，29（2）： 36-37.

[10]李光玲.食品3D打印的發(fā)展及挑戰(zhàn)[J].食品與機(jī)械，2015，31（1）：231-234.02757063-5DE6-40F0-A09E-535A2B7CF61B