3D打印技术应用趋势及发展前景

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　　摘要：21世纪以来，全世界围内都掀起了利用3D打印技术进行二维建模打造实体的热潮。3D打印自诞生至今，作为一种新型的高科技技术，在众多领域取得了令人瞩目的成就。许多国家将其视为第三次科技革命的新制高点，更因为其具有应用的广泛性、价值性和普及性的特点广泛受到人们的关注和热切的讨论。本文针对3D打印技术的特点，探讨了其在教育、医学、航坑、日常生活等众多领域的应用趋势及发展前景。
　　关键词：3D打印;发展现状;应用趋势
　　1 3D打印的概述
　　3D打印是能够有效地将数字化二维模型实体化的一种快速成型技术，它在设计和制造物体方面表现十分高效，又称增材制造。3D打印的工作原理就是将一个三维的几何拆分为若干个二维的平面，依据拆分对象的三維数据对打印对象进行逐层加工，利用成形设备层层材料堆积而形成所需要的立体模型，制造出实体三维模型。通俗一点来说，就像是现今社会上普遍存在的普通打印机，可以打印出纸面（即二维空间）上的任意图画，3D打印就是将三维几何切分成一个个二维平面进行打印，然后将平面进行顺序叠加，最终制造出一个实体立体几何模型。3D打印采用的是增材制造的方式，和采用减材制造的传统工艺有所不同，它在实现原材料的高效利用上具有重要意义，节约能源，是一种更加符合现代化建设的制造方式。目前为止，发展的3D打印技术类型有熔融沉积式（FDM）、分层叠加式（GLOM）、光敏树脂固液化成式（SLA）、选择性粉末激光烧结式（SLS）、激光选区融化式（SLM）等[1]。
　　自3D打印技术产生以来，就是作为人类社会文明的一次重大突破而存在的。仅仅几十年的时间，3D打印技术就已经广泛应用于各个不同的领域，产生显著影响。同时，随着社会的进步，3D打印技术快速且广泛的被大众所关注、讨论和接受，3D打印机的价格也不断下降，更为其普及程度作出贡献，使更多普通用户能够体验到制造三维立体模型的所带来的新奇感与愉悦感。现如今3D打印技术的普遍应用，不仅仅是因为它更为多样化的材料选择和加工方式更加符合现代化道路的发展，也是因为它是人类文明历史上前所未有的一种生产生活方式和理念。准确来讲，3D打印并非是一种全新的技术，与其称它为新，不如称它是综合性生产方式，毕竟它综合了现代计算机、激光、材料等多种先进技术[2]。可以说3D打印是一种应运而生的综合型生产技术，是人类文明进步的体现。甚至有学者认为，人类社会的第三次工业革命将由3D打印技术来引领。3D打印技术的重要性也显而易见了，它在航空航天、食品、医学、考古、制造、生活艺术等领域的应用，在未来数十年都将会成为全球范围内的重要的研究课题[3]。
　　2 3D打印的优缺点
　　与传统制造工艺相比，3D打印技术具有明显的优点：
　　（1）3D打印具有理论全能制造性：即理论情况下，没有3D打印机制造不出来的立体几何模型，只有计算机设计不出来的，也就是计算机所设计出来三维图案不管有多复杂都可以通过3D打印技术制造出来。当然，这一切都是在不受材料限制的基础之上成立的[4]。
　　（2）打印的精准性：3D打印技术打印出的产品最薄可以达到0.025mm，又因其基于数据模，以及与扫描技术相结合的特点，使其制造的产品具有极高的精确性，使打印对象的实物还原能力达到了最高。这使得它更适用于医学、航空航天方面零件的制造，进而为相关产业的发展提供了更高的安全性。
　　（3）选材的多样性：3D打印技术的选材不像普通打印机一样局限于喷墨，它可以实现用各种不同的材料进行打印，如金属粉末、陶瓷、光敏树脂等，这就为满足不同领域的需求提供了条件。
　　（4）打印的瞬时性：3D打印机可以根据需要，快速的产生反应以满足工厂、企业的需求，使得产品的生产更加灵活。往往，利用3D打印技术运行的制造工艺（制造配件）直接与生产工艺（安装配件，制成成品）相结合，会大额减少物流运输的成本，包括金钱和时间。
　　（5）生产成本低：不同于减材制造的传统工艺，3D打印采用的是增材制造的加工方式，避免了额外材料的浪费，实现了对原材料的百分之百利用。除了在原材料方面的成本降低，如果能够实现就地取材、制造、生产，这期间的物流运输成本也会大幅度下降[5]。
　　事事都有两面性，3D打印有它的优势，也必然有它的劣势：
　　（1）打印设备成本高：至今为止，3D打印设备仍然处于较高价格，这就阻碍了一些小型工厂、公司在工业化生产过程中对它的应用，对其发展造成了不小的困难，使得对于3D打印技术的应用推广增加了难度。
　　（2）制作精度低：3D打印技术主要是通过控制原材料冷却以制成几何模型，然而融化的高温液体或粉末易凝固，不易控制其冷却成型，导致了制造成品的精度略低，进而造成工作效率低下。这一方面仍需进一步的发展改进。
　　（3）材料选择具有局限性：3D打印主要所应用的材料有金属粉末、光敏树脂、塑料、陶瓷等一些容易融化的材料，而一些难以融化的材料就不能加以应用，并且，现有可利用材料在物理、化学性能方面仍存在不足之处。
　　（4）能源浪费：3D打印会使用到聚合物材料，工业化生产中对于3D打印技术的应用要使用激光器进行高温处理，这就会使它多产生相对于注塑机的传统注塑工艺而言接近三分之二的废注塑材料。并且，在打印的过程中，会消耗掉大量的能源[6]。
　　3 3D打印的发展现状及应用趋势
　　3.1 航空航天领域
　　3D打印技术能够适应恶劣的工作环境，制造出高精度的产品，在航空航天领域可用来加工制造一些复杂先进的机械零部件，进而改善传统制造加工业中所存在的缺陷。2012年，美国通用电气公司采取了激光选区融化打印技术（SLM），以此作为LEAP喷气式发动机制造了航空发动机叶片，这一叶片较于之前具有更加复杂的内置流道结构，这一技术的应用也使得他们有底气接收了LEAP喷气式发动机订单超过4000台。2013年，美国航天的科研人员也成功的将3D打印技术应用于火箭发动机喷射器的制造。并有相关科研报告表示，采用3D打印技术所制造的发动机喷射器相比于利用传统工业所制造的不仅仅具有更高的质量和性能，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缩减。2013年，我国也将3D打印技术应用于飞机关键钦合金构件制造，这可以说是我国在这一领域的一重大突破[7]。到目前为止，我国在大型复合航空金属零件和3D打印技术相结合的相关研究上，都取得了不小的成就。 　　3.2 食品领域
　　3D打印可以制作出食品，将为大众带来更加便捷的生活方式。3D打印机打印食品的时候，是将食品原料调配成泥浆的形式，以此作为打印原材料，然后导入预先设计的数据模型，依据数据模型再对原材料进行搅拌或者是将原材料注塑到已经成型的模具之中，然后进行烘烤。与手工制作的食品相比，利用3D打印技术制造的食品在外观和口味上并没有什么差别，但是制作成品的表面难免会有轻微的瑕疵，可能会影响用餐者的食欲。巴塞罗那的一家自然机器公司所制造出的食品打印机Food in 3D可以用来打印烘烤糕点、巧克力、汉堡等一些软质材料的食品。现如今也已有相关科研技术人员利用3D打印技术制造出了受现代社会年轻人欢迎的披萨饼。当然，打印食品也具有一定的限制，一般适用于对软质材料的食品，如面包、汉堡、糕点等[8]。3D打印技术在食品方面的应用，也在无形之中逐渐改变着人们的传统饮食方式，使饮食方式也更加符合现代化。
　　3.3 医学领域
　　迄今为止，3D打印已可用于打印手术辅助器械、人体器官、定制假体。在一些外科领域，如骨科、口腔科等，已经出现了不少利用3D打印的成功案例。利用3D打印技术所打印的骨骼，可以作为人体骨骼的一个暂时的替代品，支撑作用不亚于人体骨骼，而当人体受伤的骨骼重新恢复之后，打印出的骨骼也会自然溶解，这一材料对人体自然是无害的。2013年，一位下颚骨感染患者被成功救治，这是3D技术产生以来首次成功救治病人。德国在利用3D打印技术打印人体血管这一方面取得了重大突破，3D打印技术打印半月板等人体软骨组织在美国也逐渐开始普及。利用3D打印技术制作人体模板，可以让医生在做手术之前先练习一次，增加熟练度，增强医生的信心，减轻他们的心理负担，减少失误率，提高手术成功率。利用3D打印技术打印假体相比于传统制造工艺也具有更多优点。比如打印下领骨内置物，运用医学上的CT扫描技术可以获得相应的影像数据，3D打印利用这个数据可以制作出实体几何模型，这种依据自身情况所制作出的内置物与原骨骼具有较高的适配性，可以更好的修复人体内缺损的骨骼，进而对整体骨骼对象的力学性能和生理性能进行重建。
　　3.4 考古领域
　　同样，3D打印技术在考古领域中占有一席之地，特别是破损的古文物，修复后成果极其显著。其方便之处在于操作简单、成型快速，也就是说文物一经扫描即可掌握所有的数据采集并对其进行处理，高度还原的建立相应的模型，然后打印出来。例如一件被打碎的但极具厉史价值的狮子造型瓷器被美国两位技术人员应用此技术成功修复。与此同时，我国亦有成功案例，杭州技术公司将天龙山石窟破损比较严重的石像成功还原。随着考古和3D打印技术的不断融合，二者共同成熟发展，对于人类古代文明的修复还原和保护不可或缺[9]。
　　3.5 制造领域
　　在制造领域中3D打印技术应用广泛，相比于传统模式的制造工艺，这样不仅可以省略制造过程中的切割材料，部件组装等过程，节省大量时间，还可以降低成本，让在有限的工作时间内进行更大的规模的生产。目前，世界各国已有成功利用3D打印技术制造出汽车，船只等很多交通工具的案例。甚至，近期还有大学成功打印出了精密的机器人。
　　3.6 生活领域
　　3D打印有很大的应用前景，一旦3D打印技术可以成熟应用后，将会对我们的生活产生翻天覆地的改变。在日常生活中，我们可以利用3D打印技术将自己的独一无二的创意实现，可以打造属于自己的专属生活用品，戒指，手机壳，项链，等物品赋予更多的个人意义。目前为止，英国技术人员已经成功打印出了一套音乐扩音器。相信将来的3D打印技术一定会给我们的生活带来更多的改变和便利。
　　3.7 其他领域
　　其实3D打印技术的应用远远不止于此，它还可以应用于建筑、时尚、教育、医疗等领域。我们可以应用3D打印技术快速高效的完成一栋建筑，可以使城市的建造和扩建更迅速。在时尚领域，设计师们可以利用此技术快速将自己的灵感实现，无论衣服还是鞋子，都可以在你眼前呈现。在教育领域，3D打印技术可以打印出教材和书本，节省大量的树木，也为教育带来便利[10]。
　　4 结语
　　当今社会，3D打印已然成为一项新兴产业，它有着广阔的发展前景。虽然它的缺点犹在，在选材、能源方面略显不足，但是它在航空航天领域、医学领域、制造领域以及其他多方面领域的优点也是其他生产方式所无法比拟的。并且，在不久的将来，我相信，将会出现更多的应用成功案例，像是在生物科学领域，出现3D打印活体组织或器官技术;在航天领域，打印一些大型的机械零件来极大得降低生产成本，甚至是打印出太空厨房来节省时间，这都是有可能的。
　　当然，3D打印技术也还有着很大的发展空间，各国科研人员仍需花费时间、力气来研究克服3D打印的自身不足。尤其对于我国来说，我国的3D打印技术的发展仍有待提高，与其他国家相比，我国的这项技术，仍然不够成熟，现在仍然处于探索阶段，需要改进和发展的地方还有很多，需要不断的去探索3D打印技术在更多领域的相关应用，大范围实现3D打印技术。但在如今面临着3D打印技术普及程度较低的情况之下，我国应将3D打印技术的发展推广先摆放在第一位，跟上时代的步伐，顺应科技时代发展的潮流，争取能够在国际上成为领头羊，引领科学研究、技术的发展，走在世界的前沿。以及推广3D打印技术在大众之间流行，让其被更多的人所了解，所应用。当然，提高科研技术，选择合适材料，降低3D打印设备的成本，真正使它成为一项便民的工具，而不是口头上的一项快捷工具。待3D打印克服自身劣势，迎接他的将是更加广阔的发展空间，这一技术也终将改变人们的生产生活方式。
　　参考文献
　　[1]李小丽，马剑雄，李萍.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2016（01）：1-5.
　　[2]刘金畅.3D打印技术以及应用趋势[J].电脑知识与技术，2014（34）：8315-8316.
　　[3]张秀萍，梁杰.3D打印技术及应用趋势[J].现代制造技术与装备，2015（03）：85-87
　　[4]王东峰.3D打印技术发展瓶颈分析[J].机械工程师，2017（07）：54-55.
　　[5]常水泉.3D打印技术在医疗领域中的应用[J].科技创新与应用，2017（08）：50-51.
　　[6]杨德建，刘仁洪.大型复杂金属零件3D打印技术及研究进展[J].兵工自动化，2017，36（02）：8-12.
　　[7]李光玲.食品3D打印的发展及挑战[J].食品與机械，2015，31（01）：231-234.
　　[8]郭日阳.3D打印技术及产业前景口[J].自动化仪表，2015，36（03）：5-8.
　　[9]刘焕宝，周惠兴，刘小龙.3D打印在食品行业中的应用[J].中国农业文摘一农业工程，2017，29（2）： 36-37.
　　[10]李光玲.食品3D打印的发展及挑战[J].食品与机械，2015，31（1）：231-234.
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