孫杭 趙建平

摘?要：3D打印技術(shù)是綜合了控制技術(shù)、信息技術(shù)、三維數(shù)字技術(shù)等眾多技術(shù)的新型技術(shù)產(chǎn)物。通過對3D打印技術(shù)成型工藝的闡述，對其成型工藝的材料和特點進(jìn)行介紹。根據(jù)產(chǎn)品的特點和使用場合的不同，如在醫(yī)療、文物修復(fù)、食品加工、服裝設(shè)計、航空航天、建筑等方面的應(yīng)用，為3D打印技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和探索提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：3D打印;醫(yī)療;文物修復(fù);食品加工;航天;建筑;服裝設(shè)計

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，也稱“增材制造”，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、電子束等工具將食用（植物蛋白、動物蛋白）、金屬、陶瓷、醫(yī)用樹脂、薄膜、特殊合金等材料，經(jīng)過逐層堆疊、層層打印，制造實體產(chǎn)品的過程。相比傳統(tǒng)的模具制造、機(jī)械加工而言，3D打印技術(shù)更加“先進(jìn)快捷”。3D打印只要能生成三維數(shù)字模型，就能打印所需要的產(chǎn)品。3D打印技術(shù)具有節(jié)時、節(jié)能、個性化定制、高精度、高復(fù)雜、降低組裝成本等優(yōu)點。在醫(yī)療、食品加工、航天、文物修復(fù)、建筑等方面因其特殊的加工方式而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

1?3D打印技術(shù)的成型工藝

3D打印技術(shù)的成型工藝分為：熔融沉積式（FDM）、電子束自由成形制造（EBF）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光熔化成型（SLM）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）等。

（1）熔融沉積式（FDM）。以熱塑性樹脂、食用材料（面粉、巧克力、牛奶等）、熱熔共晶金屬、高柔性材料為打印原料，用高溫噴嘴將材料加工成熔融狀態(tài)，根據(jù)CAD的工件截面輪廓信息，沿水平面運動，一層截面成型后進(jìn)行下一層的堆積，如此循環(huán)，直到三維產(chǎn)品成型。該方法特點是使用和維護(hù)簡單、成本低、速度快，可以用作小批量生產(chǎn)[2]。

（2）電子束自由成形制造（EBF）。以鋁、鎳、鈦、不銹鋼、合金等材料，首先創(chuàng)造一個真空空間，利用高能量的離子束對金屬材料表面進(jìn)行轟擊，轟擊后會在表面形成熔化池，金屬材料在熔化池內(nèi)熔化，并按照預(yù)先規(guī)定的路徑運動，使金屬逐層堆疊凝固，形成致密的合金，直到制造出金屬零件或毛坯。該方法特點是成形速度快、材料利用率高、無反射、能量轉(zhuǎn)化率高。

（3）直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）。以鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復(fù)合材料為原料，通過二氧化碳激光器產(chǎn)生激光，對激光進(jìn)行傳輸，用振鏡進(jìn)行控制，使合金粉末融化，一層一層疊加形成產(chǎn)品。該方法特點是結(jié)合強(qiáng)度高、變形小、熔覆工藝好、工藝時間短[3]。

（4）電子束熔化成型（EBM）。以導(dǎo)電金屬為材料，用逐層制造法制成密實度與鍛造件完全相同的零件。在一層鈦粉膜熔化并凝固后，下一層鈦粉膜重復(fù)施行，直至整個零件制成。該方法特點是熔煉溫度高、爐子功率和加熱速度高、提純效果好[4]。

（5）選擇性激光熔化成型（SLM）。其材料同電子束自由成形制造技術(shù)類似，以金屬和合金材料為主，利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經(jīng)冷卻而凝固成型的一種工藝。該方法特點是產(chǎn)品力學(xué)性能好、精度和表面質(zhì)量有保證。

（6）選擇性熱燒結(jié)（SHS）。以熱塑性粉末為材料，使用的熱打印頭，被保持在升高的溫度下，這樣的機(jī)械掃描頭只需要提升的溫度稍高于粉末的熔融溫度，以選擇性地結(jié)合，直到產(chǎn)品成型。該方法特點是價格實惠和高質(zhì)量的印刷。

（7）選擇性激光燒結(jié)（SLS）。以金屬、陶瓷、塑料等材料的粉末為原料，采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的產(chǎn)品。特點是材料適用面廣、精度高、強(qiáng)度高[3]。

（8）分層實體制造（LOM）。以紙片、金屬薄膜、塑料薄膜等為材料，將其背面涂有熱熔膠的材料用激光切割，切割完一層，將新的一層疊加上去，用熱粘壓黏合在一起，然后切割、黏合，直到三維物件成型。其特點是成本低、效率高、模型支撐性好[5]。

（9）立體平板印刷（SLA）。以液態(tài)光敏樹脂為材料，通過計算機(jī)控制紫外激光使其凝固成型。其特點是精度高、強(qiáng)度和硬度好，可制造出較為復(fù)雜的空心部件[6]。

（10）數(shù)字光處理（DLP）。以光硬化樹脂為材料，用數(shù)字光源以面光的形式在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行層層投影，層層固化成型。特點是超高精度、表面光滑、材質(zhì)好[7]。

2?3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1?在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中是通過以下過程來構(gòu)建三維模型的：醫(yī)學(xué)圖形圖像三維重構(gòu)技術(shù)→CT＼＼MRI斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics→通過閾值提取輪廓→利用軟件區(qū)域增長工具進(jìn)行熱選擇→生成三維數(shù)字模型。

2.1.1?3D打印牙齒

3D打印牙齒以醫(yī)用型樹脂為原材料，采用SLS技術(shù)[8]。3D打印在口腔醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用包括：修復(fù)領(lǐng)域、正畸領(lǐng)域、種植領(lǐng)域、頜內(nèi)外科領(lǐng)域。在修復(fù)領(lǐng)域，可以通過3D打印技術(shù)制作義齒、牙模、仿真牙齦、咬槽骨等。在種植領(lǐng)域，在實施手術(shù)前，先用3D打印技術(shù)打印患者牙齒模型，通過對模型規(guī)劃進(jìn)行手術(shù);這樣不僅可以減少手術(shù)的誤差和風(fēng)險，還能使義齒的植入更加貼合人體。在正畸領(lǐng)域，可以制作各種個性化的正畸產(chǎn)品，比如，3D打印正畸牙套，可以讓患者一次就診當(dāng)場戴牙。不僅極大地提高了生產(chǎn)效率，而且還能給患者美觀舒適的體驗[9]。

2.1.2?3D打印骨骼植入體

3D打印骨骼主要用到熔融沉積技術(shù)、立體光刻技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。3D打印骨骼用到材料如下：金屬材料、無機(jī)材料、有機(jī)材料等。醫(yī)生可以使用計算機(jī)斷層掃描技術(shù)獲取患者的創(chuàng)傷骨骼的三維數(shù)字模型，并根據(jù)患者的傷勢情況做出調(diào)整，打印出符合患者的創(chuàng)傷骨骼模型。醫(yī)生可以通過參考3D打印實體模型進(jìn)行手術(shù)模擬，優(yōu)化手術(shù)過程。3D打印還可以打印一些如骨釘、骨板等創(chuàng)傷植入體模型，使用具有生物活性的可吸收材料，來達(dá)到幫助骨骼矯正恢復(fù)的作用。因為這些材料具有生物活性可以被人體所接受，并不需要作額外的手術(shù)取出，防止二次傷害，影響患者康復(fù)[10]。

2.1.3?3D打印活體器官

3D打印可以用來打印人體器官雛形，先建立器官的三維數(shù)字模型，根據(jù)3D打印機(jī)建好的三維數(shù)字模型逐層打印出實物模型。此3D打印機(jī)有兩個打印頭，一個放置患者的人體細(xì)胞，被稱為“生物墨”;另一個可打印“生物紙”，其成分主要是水的凝膠用作細(xì)胞生長的支架。因為3D打印機(jī)所采用的是患者的人體干細(xì)胞，所以并不會發(fā)生排異反應(yīng)。其過程是先在打印機(jī)中生成已經(jīng)建立好的三維數(shù)字模型，先把3D模型打印好，然后將一層細(xì)胞置于另一層上，打印完一層生物墨細(xì)胞，再補上一層生物紙凝膠，直到新器官打印完成[11]。

2.1.4?3D打印皮膚、義眼和假肢

人類皮膚是由真皮層和表皮層組成，真皮層主要由成纖維細(xì)胞構(gòu)成;表皮細(xì)胞由角質(zhì)細(xì)胞、黑色素細(xì)胞等構(gòu)成。3D打印皮膚的結(jié)構(gòu)必須類似于人體皮膚才不會發(fā)生排異反應(yīng)。3D打印皮膚所需要的生物材料分為真皮層和表皮層，真皮層材料是“特殊生物墨水”于成纖維細(xì)胞等材料的融合;表皮層材料是“特殊生物墨水”于角質(zhì)細(xì)胞、黑色素細(xì)胞等材料的融合。這種特殊的生物墨水一般由凝膠和血小板等細(xì)胞組成。

傳統(tǒng)手工制造義眼，如何使眼窩與義眼完美匹配也是一個很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)義眼是一種“奢侈品”，因其制造困難和耗時較長，所以其價格居高不下。義眼并不能視物，但其可以幫助促進(jìn)眼部肌肉的活性，也可以幫助那些先天眼睛有缺陷的兒童，使其外貌接近正常兒童以避免受到歧視。3D打印義眼是通過CBCT掃描來制作3D打印模型。3D打印義眼最困難的一步是如何得到眼睛的精確三維數(shù)字模型。

人們的肢體一旦受到損傷，會給生活帶來數(shù)不清的麻煩，3D打印假肢就應(yīng)運而生。3D打印假肢所用的材料是鈦金屬，因其耐用、輕質(zhì)、生物相容性非常好，而廣泛用于生物領(lǐng)域中。3D打印與傳統(tǒng)手工制作相比更加適應(yīng)人體需要。3D打印假肢可以根據(jù)患者的需要進(jìn)行個性化的制造，因其材料的高利用率和高性能，使打印的假肢不僅在使用上更加貼合舒適，而且非常輕便，不會給患者帶來額外的負(fù)擔(dān)。

2.1.5?3D打印藥丸

立體光固化成型（SLA）技術(shù)可以用于制作3D打印藥物。能在打印前將藥物與光固化結(jié)合在一起，保持藥物內(nèi)部的“固化矩陣”，從而減少藥物降解。2016年3月，F(xiàn)DA批準(zhǔn)的癲癇藥物SPRITAM便是使用3D打印技術(shù)制造藥片特殊的結(jié)構(gòu)，以便其更快速溶解[12]。

2.1.6?3D打印醫(yī)用器械

3D打印技術(shù)在特殊醫(yī)用器械的制造中被廣泛應(yīng)用。3D打印產(chǎn)品在輔助治療方面：如矯正器、助聽器、導(dǎo)航板、關(guān)節(jié)支架等諸多醫(yī)療器械，已經(jīng)在臨床醫(yī)療中得到大規(guī)模應(yīng)用。手術(shù)器械方面：進(jìn)行不同的手術(shù)要用到不同的手術(shù)器械，當(dāng)遇到特殊的病人要用到“獨特”的醫(yī)療器械進(jìn)行手術(shù)。傳統(tǒng)制造工藝對于這種“獨特”的醫(yī)療器械進(jìn)行制造遠(yuǎn)沒有3D打印技術(shù)的效率高，而且3D打印技術(shù)可以滿足其所需要的任何器械（理論上）[13]。

2.2?3D打印在文物修護(hù)中的應(yīng)用

歷史上遺留下來的遺跡、文物都具有重要的歷史價值。任何的文物、遺跡都是當(dāng)時科學(xué)技術(shù)水平的體現(xiàn)，反映了當(dāng)時的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和文化狀況。對于研究古代的風(fēng)土面貌具有重要的文化價值。但是文物或遺跡出土后，如何修復(fù)是一個關(guān)鍵的問題。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，把加工材料依據(jù)不同的形狀分為點、線、面三種類型;依據(jù)材料的不同分為金屬材料、陶瓷材料、非金屬材料、塑料材料等，通過3D打印文物修復(fù)可以省略很多中間步驟，縮短所需的工期，減少能源損耗，降低技術(shù)的門檻需求。3D打印技術(shù)通過對文物的三維立體掃描，得到文物的外部形狀點集，再把這些點集輸入到計算機(jī)終端進(jìn)行過濾和建模[14]。

使用3D打印技術(shù)首先要采用信息采集技術(shù)，建立虛擬三維模型需要三個步驟：建立虛擬3D模型→處理虛擬3D模型→打印虛擬3D模型三個步驟。其中建立虛擬3D模型是最為困難的，文物出土后對其建立三維模型是很困難的，要用到特殊的掃描儀器。這時要用到手持式的三維掃描儀對文物進(jìn)行360度的掃描建立三維數(shù)字模型，手持三維掃描儀進(jìn)行全方位無死角的掃描，在對文物進(jìn)行掃描時，不僅要把握掃描儀的平穩(wěn)性，還需要把實體文物模型全面覆蓋。為了使掃描的數(shù)據(jù)更加完整，我們需要掃描多組數(shù)據(jù)棧，為后面的數(shù)據(jù)處理工作和實體建模做基礎(chǔ)。需要關(guān)注的是在掃描過程中要注意物品的擺放位置，以便于在掃描中能把所有的數(shù)據(jù)采集到[15]。

2.3?3D打印在食品加工中的應(yīng)用

3D打印食品主要以3DP和FDM技術(shù)為主，以面粉、牛奶、果汁、奶酪等為材料為主。

3D打印甜點：可以打印出“獨特的造型”，滿足人們的需要。根據(jù)打印材料的不同，可以打印不同種類的食品。例如：（特殊造型的）巧克力、糖果、蛋糕、奶酪、小吃等。其中以巧克力為材料打印的甜品非常受年輕人喜愛，他們認(rèn)為這是“愛情的象征”。消費者可以通過3D打印技術(shù)打印出自己滿意的產(chǎn)品。

3D打印肉制品：消費者可以根據(jù)自己所需要的營養(yǎng)成分來調(diào)整打印材料，從而打印出自己需要的肉制品。對于兒童、孕婦、醫(yī)院病人等特殊人群，3D打印可以制作出他們“量身定做”的產(chǎn)品。3D打印肉制品可以在原材料上做出調(diào)整，用豐富蛋白質(zhì)的昆蟲和植物蛋白來作為原材料，可以提高人造肉的蛋白質(zhì)水平。

3D打印航空食品：原材料簡單易得，人們可以通過隨心搭配來生產(chǎn)出自己需要的食品，這些食品更容易保存，其中的碳水化合物、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)以及各種微量元素在沒有水分的情況下可以保存幾十年。因此可以使用高營養(yǎng)的材料采用3D打印技術(shù)來打印食品，為我們的身體健康和高效工作提供基本保障[16]。

2.4?3D打印在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印服裝主要使用FDM成型工藝。3D打印服裝要借助人體以外的空間，用工藝手段和面料性能來搭建一個人體、面料共同構(gòu)成的立體三維模型，以滿足消費者對于功能性和審美的要求[17]。3D打印構(gòu)建的三維模型，既體現(xiàn)了服裝的功能作用，又展示了服裝的裝飾表現(xiàn)特征。目前3D打印在服裝的應(yīng)用有鞋子、內(nèi)衣褲、禮服、裙子等。通過3D打印技術(shù)不會余下廢料，也不需要制版，加工過程更加方便環(huán)保，顛覆了傳統(tǒng)的服裝制作流程[18]。

2.5?3D打印在航空航天中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在三個方面：產(chǎn)品外形驗證、直接產(chǎn)品制造和精密熔模鑄造的原型制造。航空工業(yè)3D打印材料主要集中在鈦合金、鋁鋰合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金等材料，這些材料基本都具有強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易成型加工、傳統(tǒng)加工工藝成本高昂等特點[19]。而在3D打印技術(shù)方面，航空領(lǐng)域應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)主要采用SLM（選擇性激光熔化）、EBM（電子束熔化）、DMLS（直接金屬激光燒結(jié)）等技術(shù)形式。3D打印技術(shù)在衛(wèi)星產(chǎn)品一體成型中有著不可替代的作用，目前可用3D打印的部件有蜂窩板、桁架和衛(wèi)星貯箱。航天領(lǐng)域的3D打印技術(shù)的發(fā)展對于一個大國而言非常重要[20]。

2.6?3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械制造中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)機(jī)械制造中比較困難的是精度問題，一個部件一旦精度達(dá)不到就等于是廢件，浪費了大量的人力物力。而3D打印的特點是定制化、生態(tài)化、智能化，這對于傳統(tǒng)機(jī)械制造來說是一個光明之道[21]。3D打印技術(shù)可以大幅提升機(jī)械制造成品率，切實確保產(chǎn)品質(zhì)量，助力機(jī)械制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。3D打印可應(yīng)用與樣品生產(chǎn)、新產(chǎn)品研發(fā)、特殊環(huán)境的零部件[22]。

樣品生產(chǎn)：有的廠家要展示自家的大型機(jī)械產(chǎn)品，但是這樣對與運輸和場地來說要求太高，要提前準(zhǔn)備就會浪費很多的人力物力?？梢赃\用3D打印技術(shù)對那些體型巨大的大型機(jī)械進(jìn)行三維建模，打印它們的“展示產(chǎn)品”來體現(xiàn)機(jī)械的性能。

新產(chǎn)品研發(fā)：若以傳統(tǒng)的加工方式來加工新產(chǎn)品機(jī)械模型，成本太高、周期太長，3D打印技術(shù)可以快速地生產(chǎn)機(jī)械模型，加快新產(chǎn)品成熟速度。特殊環(huán)境產(chǎn)品：在太空中的機(jī)械損壞的速度較之要快得多，這時要經(jīng)常更換零件來保持機(jī)械的正常運轉(zhuǎn)，需要3D打印技術(shù)生產(chǎn)無數(shù)種零件來作為備用[23]。

2.7?3D打印在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在建筑物重建方面：通過文獻(xiàn)和影像資料獲取建筑物3D模型信息，參考原建筑物的尺寸和外形進(jìn)行打印。通過混凝土3D打印技術(shù)進(jìn)行批量打印，可以快速地恢復(fù)受災(zāi)人群“無處可住”的現(xiàn)狀。能間接重振災(zāi)民精神，恢復(fù)原有的生產(chǎn)秩序[24]。構(gòu)筑物的重建工作偏向于城市或者社區(qū)標(biāo)志物的重建，此類標(biāo)志物形態(tài)大都較為規(guī)整，材質(zhì)較為沉重，與混凝土表現(xiàn)的粗獷感相吻合，借助混凝土打印工藝，不僅能在災(zāi)區(qū)本地建立構(gòu)筑物，亦能以目標(biāo)構(gòu)筑物的模型為原型，在其他地區(qū)進(jìn)行仿制，將局部地區(qū)的教育和紀(jì)念價值拓展到更大范圍，通過技術(shù)手段升華構(gòu)筑物的文化價值[25]。

3D打印在建筑行業(yè)主要有四種技術(shù)：輪廓成型工藝、混凝土打印、D型打印技術(shù)、數(shù)字建造。可以根據(jù)建筑的不同要求采用不同的打印技術(shù)，得到令人滿意的“個性化”建筑。獨特的建筑要用到獨特的材料，而且有的建筑風(fēng)格用傳統(tǒng)的建筑工藝太過煩瑣，3D打印建筑可以應(yīng)用不同場合不同需要的人群。

3?結(jié)語

3D打印技術(shù)是綜合了控制技術(shù)、信息技術(shù)、三維數(shù)字技術(shù)等眾多技術(shù)的新型技術(shù)產(chǎn)物。根據(jù)材料和需要的成型工藝，3D打印技術(shù)可以進(jìn)行多方面的制造，以滿足社會對于“個性化”的要求。

在醫(yī)療方面：3D打印牙齒采用SLS技術(shù)，用醫(yī)用樹脂為原材料。3D打印骨骼采用熔融沉積技術(shù)、立體光刻技術(shù)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，用金屬和陶瓷材料進(jìn)行打印。3D打印藥丸采用SLA技術(shù)。3D打印器官采用患者自身的細(xì)胞作為原材料，不會發(fā)生排異反應(yīng)。3D打印皮膚和義眼技術(shù)還不成熟，需要時間沉淀。3D打印醫(yī)療器械已經(jīng)在臨床上得到廣泛應(yīng)用。

文物修復(fù)方面采用三維掃描構(gòu)建實物模型，逐層打印成實體。食品加工方面主要以3DP和FDM技術(shù)為主，用面粉、牛奶、果汁、火雞肉、奶酪等材料進(jìn)行打印。年輕人更加青睞“獨特類型”的巧克力。服裝方面以FDM技術(shù)為主，用不同性能的面料打印不功能的服裝。目前，已經(jīng)用于鞋子、內(nèi)衣褲、外套、禮服、裙子等實體打印。

航空航天方面3D打印技術(shù)用得最多的是SLM、EBM、DMLS技術(shù)，主要用來打印各種高精密的零部件。在傳統(tǒng)機(jī)械制造方面，3D打印技術(shù)憑借其優(yōu)良的成型工藝，已經(jīng)被廣大制造公司接受。在建筑物重建方面，3D打印技術(shù)可以憑借輪廓成型技術(shù)、混凝土打印、D型打印技術(shù)、數(shù)字建造等技術(shù)來快速完成房屋的構(gòu)建、建造成型，還可以給人一種獨特的“科技范”。

綜上所述，3D打印發(fā)展得非常迅速，在社會生活中各個方面都有涉及，但是精確到一個類型的一個具體方面還沒有完成覆蓋，以上介紹各個方面的3D打印技術(shù)可以為以后3D打印的探索和研發(fā)提供參考依據(jù)。

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