3D打印技术应用趋势及发展前景

3D打印技术应用趋势及发展前景

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。

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。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。

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。

（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。

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。

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。2021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。2021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。2021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。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。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。2021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