3D打印：技术和应用
3D Printing:Technology and Application
供稿：余冬梅1，方奥2，张建斌1
内容导读：
3D打印将变革制造所有产品的方式，被誉为“第三次工业革命”。3D打印实质为增材制造（material additive manufacturing）技术，即逐层叠加的方法直接制造零件原型。本文对快速成型（Rapid Prototyping,RP）技术的发展及应用做了概述，采用典型实例介绍了3D打印在航空航天、体育、医疗和教育方面的应用。3D打印具有实现近净成型，易加工小型零件和复杂零件，可制造个性化、定制产品等优点，目前，设备价格及打印材料是制约3D打印市场化的主要因素。未来3D打印可能成为我们必备的家用电器之一。
从想象到实现的3D打印，使我们更是畅想未来。在DIY（DoIt Yourself，自己设计或自己动手做）盛行的时代，我们只为自己代言，成为自己生活的设计师。想象一下，我们所使用的智能手机外壳、鼠标、衣服扣、运动鞋带、钥匙链、水杯、勺子、笔筒……甚至生日蛋糕都是自己设计创造，打印自我设计的生活或许更有情趣。
3D打印概述
3D打印（3 Dimensional Printing,3维打印）的学名是增材制造（materialadditive manufacturing），是指将材料一次性熔聚成型的快速制造技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印并叠加不同形状的连续层方式来构造三维的任何物体【1】。3D打印实质上就是快速成型技术（Rapid Prototyping,RP）之一。本文介绍了5种主要的快速成型技术，着重概述了3D打印的特点及其工业和商业应用。
“3D打印技术可能将变革制造所有产品的方式”，奥巴马说，他希望3D打印技术能成为重振美国制造业的一条途径【2】。3D打印的热潮正席卷全球，收到媒体和资本市场的热捧。目前，人类已利用3D打印技术成功研制出多种产品，很多制造商已在采用3D打印技术来制造零件原型，更有消息称国外公司利用3D打印机生产飞机零部件，这都使3D打印赚足了人们的眼球。
快速成型技术（Rapid Prototyping,RP）
快速成型技术（Rapid Prototyping,RP）的加工过程，实质上就是在Z轴方向的层面叠加过程。快速成型加工从三维实体模型入手，经过适当地处理（三角形化、切片、光滑、网络划分等），最终得到每一层面的加工数据。因此获得产品的三维实体模型是RP技术中的关键问题之一。而反求工程技术又提供了由实物直接获得三维CAD模型的途径，反求工程包括形状反求，材料反求和工艺反求等，目前形状反求具有更加重要的地位和作用【3】。快速成型技术的基本原理是离散与堆积，采用各截面逐层叠加的方法直接制造零件原型。RP将任意复杂的三维实体离散为一组平行截面，分层叠加、善于制造具有较高精确度的复杂实体【4-5】，且消除了制造过程中的误差累积。分层的厚度可以相等，也可以不等；分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。
快速成型技术主要包括光敏固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）、熔融沉积成型（FusedDeposition Modeling,FDM）、选择性激光烧结（Selective LaserSintering,SLS）、分层实体制造（Laminated ObjectManufacturing,LOM）、三维打印（3 Dimensional printing,3D打印）等工艺【6】，各成型技术及其对应的基本材料如下表。3D打印被认为是RP行业中最有生命力的新技术之一，具有良好的发展潜力和广阔的应用前景。反求工程与RP技术结合，突破了制造业的传统模式，适合现代生产周期短、产品多样化的竞争要求【7】。
表1 快速成型技术及其商业/工业用的基本材料
| 成形技术 |
基本材料 |
| 光敏固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA） |
光敏树脂 |
| 熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM） |
热塑性塑料、蜡或金属熔丝 |
| 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS） |
热塑性塑料、金属粉末 |
| 分层实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM） |
纸、金属膜、塑料薄膜 |
| 三维打印（3 Dimensional printing,3D打印） |
纸张、塑料、金属、复合材料等 |
光敏固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）
Charles(Chuck)W.Hull于1986年提出了光敏固化（Stereo Lithography）的术语，他通过连续“打印”紫外线固化材料薄层申请了光敏固化方法制造固体实物的专利。Hull于1986年创立了第一家推广和商业化这一工艺的公司，即3D Systems Inc.。现在的快速成型设备中，以SLA的研究最为深入，运用也最为广泛，该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。这种方法的特点是有较高的精度和较好的表面质量，能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。
我们可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。
熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）
斯科特·克伦普（S.Scott Crump）于1989年申请了熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling,FDM）专利，他创立的Stratasys公司于1992年卖出了第一台基于FDM的打印机。FDM工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料是没有固定熔点的材料，需要精确控制其温度。
这种技术成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型，但是成型后表面粗糙。FDM快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器；成型材料价格较低；FDM原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间；体积小、无污染是办公室环境的理想桌面制造系统。但是，成型速度较慢，精度较低。
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Dechard于1989年研制成功，后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备SinterStation[8]。SLS工艺采用CO2激光器将粉末状材料选择性烧结成固体件的方法成型，该工艺这种方法适合成型小件，可直接得到塑料、陶瓷或金属产品。目前，SLS的粉末烧结材料多为尼龙、金属粉末材料、陶瓷粉末材料、纳米复合材料等【9】。
SLS成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。由于成型材料的多样化，使得SLS适合于许多领域，如原型设计验证、模具母模、精铸熔模、汽车等行业【10】。在众多的快速成型方法中，选择性激光烧结由于具有能直接加工成形近致密金属零件、应用领域广、成型材料选择范围宽等独特的优势，现已经成为众多科研机构和学者研究的热点，其发展也越来越受到重视。
分层实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM）
分层实体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM）由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。LOM是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。
3D打印（3 Dimensional printing,3D打印）
3D Systems 公司的Charles Hull于1984年发明了第一台3D打印机。位于美国布鲁克林的MakerBot公司如今拥有两件砝码——Replicator 2和Replicator 2X。在简单的桌面应用程序驱动下，它们能像打印照片一样将CAD文件“打印”成实物。在制造业，尤其是加工业中，减去法被视作典型的传统加工方法。这一减法制造的术语恰好是近年来区别于新的添加制造技术而形成的返璞词。
3D打印并非本世纪的新鲜技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代美国军方的快速成型技术中得以发展和推广，但是近期才开始真正发热。中国物联网校企联盟把它称作“上上世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。区别于传统制造业，3D打印能够以更低廉的成本进行生产，不会因为制造大量商品而导致浪费，并且具有环保潜力，因此，很多人认为3D打印技术将引领制造业的革命，甚至改变世界。在3D打印技术可以打印器官、汽车、飞机的今天，它还在创造无限的可能。
3D打印特点
着名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景是一种新型的生产方式，能够促成新的工业革命。3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业则擅长批量化和规模化。目前，3D打印技术还不能取代传统制造业，但两者形成了良性互补。
应用优势
易用性高 3D打印技术最突出的优点是无需模具，也不需要机械加工，可直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，是多维加工的，或者采用磨具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。
工艺周期短、精度高 实现了首件的近净成形，同时解决了传统制造业开模耗费时间长的问题。从而，后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域；同时也避免了后续加工过程的误差累积、精度更高，尤其在飞机、核电和火电等的高端精密机械行业，3D打印的产品是自然无缝连接的，结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。
成本低 由于制造准备和数据转换的时间大幅减少，使得单件试制、小批量出产的周期和成本降低，特别适合新产品的开发、单件小批量零件的出产、个性化产品及定制产品的加工。
应用限制
设备成本高 3D打印适合制造个性化产品、定制化产品和小批量产品，若只为一件产品或少量产品投资大量时间和金钱生产一台使用频次很少的3D打印机有点不切实际，从经济角度看似乎是买椟还珠。
耗材限制 3D打印的耗材多为没有固定熔点的材料且十分有限，即非晶体或非晶态固体。没有固定熔点这一特性，则需研发多种原材料以满足不同的产品需求。3D打印耗材也是制约其发展的关键因素，3D打印技术要成为主流的生产制造技术还尚需时日。
存在开裂 3D打印的关键是保持材料的半流动性，需要精确控制非晶态材料的温度。原材料被加热至黏流态以保证其良好的成型性，但打印的实体产品中难免存在热应力，而热应力集中易引发开裂。
打印耗时 3D打印的时间也远远超过传统制造方法，打印大尺寸零件通常要耗时好几天，甚至一个小的螺母也要十几分钟，而传统方法一秒钟就可能完成。从长远来看，打印耗时是3D打印技术提高生产效率的关键，也是在制造业中占据一席之地的核心问题。
3D打印应用
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。康奈尔大学（Cornell University）副教授、该校创意机器实验室（CreativeMachines Lab）主任霍德·利普森（Hod Lipson）说：“3D打印技术正悄悄进入从娱乐到食品、再到生物与医疗应用等几乎每一个行业。”过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
航空航天
美国弗吉尼亚大学的学生史蒂芬·伊斯特（Steven Easter）和乔纳森·图尔曼（Jonathan Turman）通过3D打印技术制造出一架飞机模型（如图1）并成功试飞。飞机翼展达6.5英寸（约2m），所有零部件都是通过3D打印机制造出来的，而且任何破损的部件都能够打印出来进行替换【11】。通用电气航空集团（GE Aviation）使用3D打印机制造飞机喷气引擎（如图2）。3D打印的另一个优势是可以制造出更轻的零件，帮助飞机节省燃料。许多制造商早就开始使用3D打印制造零件原型，它比传统模具制造更廉价和更具有灵活性。
体育
在惯常的制鞋程序中，设计、做模型、再做鞋子要花去很长时间。耐克公司（Nike）鞋类创新副总裁托尼·比格内尔（Tony Bignell）表示，制作出一款与设计构思完全相符的鞋子，可能要试上成百上千次。想到耐克已经将3D打印技术应用于模型设计，并在产品设计开发阶段助力设计师提速良多。
耐克抛弃传统制鞋的过程，使用3D打印制造的“Vapor Laser Talon”鞋子，工艺与众不同，因为这样才有可能在短时间内突破限制，制造出帮助运动员在草地赛场上“飞”起来的鞋子【12】。耐克公司结合摩擦力及轻量化频繁地调整和改进产品。最终，一只VaporLaser Talon鞋（如图3）仅重5.6盎司（158.7g），相当于3枚鸡蛋的重量。结合反求工程的3D打印技术使耐克公司能够在短时期内完成设计制造舒适的鞋子，缩短了鞋子的生产周期，也提高了其生产效率。
医疗
医学是3D打印应用的一个重要领域。由于各种原因，有相当数量的人需要装配义肢（如图4），但是每个人的身材都是不同的，必须进行完全个性化的定制。美国的梅约诊所已经为一位病人创造了一个3D打印的一次性髋关节（如图4），这就使他们能更好的适应于植入物【13】。医疗器械公司Lima使用3D打印制造4万个多孔钛合金人造髋关节。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，或用于牙科治疗和矫正，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了Si和Zn以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。3D打印技术在未来某一天有可能使定制药物成为现实，并缓解（如果不能消除的话）器官供体短缺的问题。
3D打印机打印的医用“人体组织”已经问世。目前科学家研发的全新3D打印机，可以直接通过水和脂肪合成的特定材质打印出与人体组织十分相似的柔质材料。研究人员表示，未来可被用于美容或是填补由事故造成的人体组织缺失，同时这种“水珠”还可以协助外科医生为病人重塑受损的神经通路。该项技术将有可能被用来向人的体内输送药物，或者直接取代已经坏死的器官，最终演变成一种新的治愈癌症的方式也不是没有可能【14】。所以这项新技术将在临床医学当中发挥革命性的作用。
教育
“一个曾经被关闭的仓库现如今成为了最先进的实验室，在那里，新的工人正努力掌握3D打印技术，这一技术将可能变革我们制造几乎每件东西的方式”奥巴马说。奥巴马总统所提到的实验室位于俄亥俄州扬斯顿，是一个由联邦资金支持的制造业创意机构，除设立了该实验室外，各个学校也开始使用3D打印技术。一直以来，弗吉尼亚大学（University of Virginia）都在努力将3D打印机引进到夏洛茨维尔从幼儿园到12年级的一些教育项目中，让学生做好准备，以迎接制造业新的未来。
“我们的教室里都有3D打印机，举个例子，我们在教孩子们如何设计和打印弹弓，打印出来之后，他们还会分析它的效能”科技和教师教育中心（Center for Technology and Teacher Education）的主任格伦·L·布尔（Glen L.Bull）教授说。“我们认为，在接下来几年里，美国每个学校的教室里都将配备一台3D打印机。”教育系统可能需要让这一切发展地更快。因为对3D打印机的预测及它们可以带来何种改变的现实之间的时间差距正在快速缩小。3D打印适用于创意设计，未来会走入学校和家庭，帮助孩子培养三维思维能力和创造性。
参考文献
【1】 尚普咨询.3D打印将带来制造业的革命.（
【2】 http://cn.nytimes.com/article/business/
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【5】 滕勇，王臻，李涤尘，等.应用快速成型技术复制人体骨骼模型与假肢制造设计的意义.中国临床康复，2003,7（26）：3556-3558
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【7】 朱玉红.基于快速原形制造的反求工程.机械设计与制造.2005，（2）：65-67
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【11】 腾讯科技.盘点古怪而又精彩的3D打印世界.（
http://tech.qq.com/a/20130516/006317.htm#p=5
【12】 黄瀚玉.Go Go Go耐克3D打印鞋快跑.（
【13】 腾讯科技.盘点古怪而又精彩的3D打印世界.（
http://tech.qq.com/a/20130516/006317.htm#p=9
【14】 EdwinKee.3D Printer Generates Synthetic Human Tissue.(
http://www.ubergizmo.com/
作者简介
余冬梅（1986——），女，硕士研究生，兰州理工大学材料科学与工程学院，从事激光表面改性研究。
方奥（1988——），男，硕士研究生，兰州理工大学机电工程学院，从事人工骨三维重建及性能仿真研究。
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