1  3D打印主要成形技术分析

1.1  3D打印技术的特点

3D打印技术，可以追溯到1976年喷墨打印机的发明。1984年，Charles Hull将光学技术应用于快速原型制造领域，开启了3D打印的帷幕。自20世纪80年代以来，3D打印技术已经在全球受到关注，开始走进人们的视野和生活中。如今，3D打印技术已在许多方面得到了很好的发展和应用，如制造业、医疗、学术、航空航天和军事等领域。

根据打印技术特点，3D打印可分为：

①立体光刻（SL）。激光扫描并曝光液态光敏树脂，聚焦光斑处树脂反应固化，然后工作平台至下一深度，保持液面处于焦平面，逐渐成型。

②立体平版印刷技术。这种技术是通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成一个薄层，一层固化好后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。主要用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

③立体光固成型。光敏聚合物喷出后由紫外光按设定程序区域性迅速固化，可直接在前一支撑层上成型，最后将胶装支撑材料清晰除去，适合制作复杂结构，每层厚度可精确到0.16μm。

④聚氯乙烯（PVC）塑料烫印复膜。切割刀根据横截面数据逐层切割并以此堆积，最后拔除底层的PVC材料；机器价格与制作成本相对较低。

⑤三维喷绘打印（3DP）。软件将3D计算机辅助设计（CAD）文件分割为薄截面片，截面处铺上粉末。以喷墨方式涂上连接体，逐层打印形成三维模型。

⑥数字光处理（DLP）。对光固化性丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物（ABS）树脂表面进行曝光，每层曝光仅数秒。

3D打印技术的工作原理是在计算机上使用电脑建模软件（如3Dmax等）塑造虚拟3D立体模型，然后将模型文件转换成与3D打印机匹配的格式，然后3D打印机根据切片程序将模型整体划分为很多个横截面。最后，3D打印机通过将横截面堆叠成3D模型，完成打印工作。

3D打印技术与计算机建造模型技术相互结合，极大加快了信息化制造技术向网络定制化和数字化方向发展的进度，已经逐渐成为我国国民经济中不可或缺的一部分。复合材料和金属材料等现有材料的打印技术是3D打印发展的重要方向，也是其他许多生产制造领域定制产品的主要工作形式。

1.2  3D打印技术的优势

3D打印技术避免了传统制造业的切割程序，不需要通过模具进行制造，加工速度也较快，生产周期相对较短，更重要的是3D打印在制造体积小、结构复杂的物体时具有很大优势。通过一体成型的打印技术，不需要二次加工，通过与电脑联机结合操作，实现了批量生产和远程操控。

3D打印技术中最具代表性的是熔融沉积成形技术，其工作原理是将热熔长丝材料通过送丝装置送入喷嘴，在计算机软件的控制下，将喷嘴加热挤出已经软化的材料，开始沿着物体的轮廓移动，直到半流动材料的填充和凝固完成，形成三维印刷产品。例如，对于塑料产品的三维打印，通过对三维打印机的喷嘴加热使塑料熔化，塑料在挤出后快速冷却，并与周围的材料粘合和覆盖。现阶段熔融沉积成形技术（FDM）可以对金属、石蜡、ABS、聚乳酸（PLA）、人造橡胶等进行打印，生产出的3D模型、机械零部件、日常用品等，被广泛应用于建筑、汽车、航空航天和医疗领域。相比于传统机械加工生产，FDM技术具有成本低、材料广泛、原料利用率高、污染小等优势。

2  3D打印需求现状

2.1 研究现状

截至目前，已经根据3D打印制造方法原理产生了许多种制造技术，并且根据实际还分出了很多材料。3D打印常用材料有环保材料PLA、不锈钢、钛合金、铝材料、石膏材料、橡胶材料、耐用尼龙材料等。实现3D打印的主要技术类型有光聚合成型技术、粒状材料成型技术、挤出成型技术、线材成型技术、层压成型技术和粉末层喷嘴技术3D打印成型技术。

以建筑行业为例，从设计的角度看：建房不需要复杂的设计过程，每个专业设计师在3D模型中完成自己的设计，也许有一天，大家可以直接从互联网上下载想要的建筑模型。对于建筑造型而言，在传统建筑中难以实现的表面建模在3D打印中则变得更为简单，这对于追求自由造型的建筑师来说绝对是个好消息。必须出现新的结构设计方法。例如使用有限元分析，现有的结构设计规范和相关的技术标准可能不再适用于打印建筑物，需要开发适合3D打印在建筑中应用的的行业规范，新的施工过程需要新的验收标准，并应同时开发新的建筑检测技术。

2.2  材料的探索

在材料方面，已经开始探索陶瓷和粘土等材料的使用，为了满足3D打印建筑的需求，未来可能会出现许多特殊材料，如纤维材料、复合材料、化学材料和智能材料。材料性能要求将会不断得到提高，材料科学研究向着微观方向发展，新材料更符合建筑材料标准。以混凝土为例，首先，混凝土的原材料将变得更加广泛。例如，胶凝材料可以使用特殊的水泥，树脂，镁胶合材料等；粗、细骨料的质量要求会更高，以满足3D打印的需要。混凝土必须具有更好的流动性，并且能够快速凝结在空气中的自支撑。外加剂可能会发生根本变化，它们在具体系统中的作用和作用机制也完全不同。其次，在纵横比设计中，可能需要新的理论来支持，混凝土的性能发生了巨大的变化，硬化和收缩性能发生了根本性的变化。

在3D打印行业目前主要的材料也有很多，例如工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料和金属材料等。其中工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有ABS、PC类材料、PLA、尼龙类材料等，工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。此外橡胶材料和金属材料也分别以其各自的优点在骑车、医疗和金属制造等行业发挥着不可限量的大作用。

2.3  3D打印对社会生活的影响

3D打印建筑技术集成了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、建筑技术、建筑设计、材料科学和化学等多学科，整合需要协调发展。3D打印建筑非常适合紧急住房和贫困群体，未来开发的打印机可以真正创造适合人们居住的房屋。在遭受自然灾害后，建筑机器可以快速打印出房屋，并可以自动安装各种设施，这些设施优于救灾帐篷和活动在功能和力量方面。未来的3D打印建筑也可以满足定制客户的需求，特别是对于具有复杂和不规则外观的建筑物和结构，相对来说3D打印具有独特的优势。

3D打印在个性工艺品创作方面，可以以极低的成本和较快的制作速度轻松地满足人们的创作思路和需求，能在艺术创作之路上为人们提供更多的思路和更强大的帮助。另外在教育方面，3D打印可以让学生们能以更为直观的角度观察到一个事物从无到有的制作过程，激发孩子们的创造力，3D打印将会是引领时代进步和社会新变革的主要技术力量。

3  3D打印技术应用趋势

3.1  3D打印技术在手工制造业方面的应用

的3D打印技术在制造业中得到最广泛使用。从3D打印轮船汽车、3D打印机器人以及打印家具，到小型的3D打印螺丝螺母、工业零件和手机壳等，所有这些都可以通过3D打印进行堆叠。2014年，美国康奈尔大学的创意机器人实验室HodLipson制造了微处理器、电池和机器人连接器等部件，并且能够完全组装轻型机器人[4]。

3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也具有一定的优势，对于一些尺寸较小、形状较为复杂的零部件来说，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，这对企业优化精密零部件制造流程、提高企业利润会产生积极影响。除了以上这些方面外，3D打印模具在提升精密零部件产品的性能、实现精密零部件产品的个性化制造等方面也表现突出。

对于一些尺寸较小、形状较为复杂的零部件来说，采用3D打印可以充分利用材料，并合理控制零部件制造的成本，这对企业优化精密零部件制造流程、提高企业利润会产生积极影响。除了以上这些方面外，3D打印模具在提升精密零部件产品的性能、实现精密零部件产品的个性化制造等方面也表现突出。企业可以借助3D打印来优化精密零部件的制造工具，使相应的工具在设计时更多地考虑人体工学，以提高其操作舒适性和实用性，如精密零部件模具。通过优化模具等制造工具的设计，精密零部件的废品率将进一步降低。

3.2  3D打印技术在医学领域的应用 

3D打印技术可用于快速准确地创建人体器官模型。在器官模型的帮助下，医生可以诊断患者的病情。同时，人体器官模型可以帮助医生充分进行术前讨论，找到最佳的手术治疗方案，从而有效缩短手术时间，降低手术风险。由于医疗模型的易用性，发达国家的市场正在迅速扩大。除医疗模型外，还可以使用3D打印制造高效药物。由于药物的大小和形状的高度相似性，以及成型过程的易于移植，应用前景广阔。美国科学家已经成功地使用3D打印快速原型技术生产口服给药的控释片剂。

3D打印还可以打印出人造骨骼，采用了能够分解的工程材料作为打印机材料，通过3D打印机打印出带有活性因子和疏松多孔的人造骨骼。并且将人造骨骼植入生物体内后，通过一段时间的分解，钙化物质居然可以被活体完全吸收并形成新的骨骼，这些都已经在动物实验中得到了充分的验证[5]。英格兰一位女童装上了3D手掌，一位农民工则装上了一块头盖骨，甚至澳大利亚公司CSIRO可以为病人量身定做钛制的胸骨和肋骨，从而为其打造一个3D胸腔。美国生物科技公司Organovo就曾经利用细胞3D打印技术，在细胞培养基座中打印出肝脏所需的细胞组织，经过在器皿中的培养，就可以生长为正常形状的肝脏并移植到人体。

3.3  3D打印技术在家庭消费娱乐方面的应用  

最开始的3D打印机大多数设备功能单一，主要用于工程建设和医药科学方面，由于价格不菲、体形庞大，因此严重影响了它们在家庭消费领域的应用。但随着用于家庭和个人应用的桌面3D打印机的出现，3D打印机在家庭消费市场上的销量正在日渐升温。伴随着家用3D打印机的价格不断下降，打印机的功能也变得更加多样化，家用消费领域3D打印机的应用范围将迅速扩大。例如，在食品行业，2012年，宾夕法尼亚大学的科学家们使用3D打印机技术在实验室中打印出了人造肉，人们居然可以在碳水化合物的生长框架上种植新鲜的肉类组织，其味道与真正的肉类非常相似。最近的研究结果表明3D打印技术在食品生产制造领域具有广阔的应用前景，虽然3D打印食品技术仍处于初步实验阶段。

此外，家庭中的一些日常小工具，比如花盆、笔筒、收纳盒等，都可以按照自己的意愿对模型的外形和尺寸大小进行相应的设计，然后在电脑上建模后通过3D打印技术制造出实体，给生活增添一份不一样的乐趣。家里如果有儿童也可以利用3D打印为孩子们制作玩具，既培养了孩子们的动手动脑能力，又节省了买玩具的费用。

4  结语

3D打印技术具有结构精确、完整性好、成本低的特点。它已经生产了一系列具有良好经济价值的产品，并且开始广泛应用于机械制造、建筑、医药和航空航天等众多领域。在现代社会中各行各业一直坚持顾客就是上帝的服务原则和宗旨，从而3D打印就更需要根据不同客户的多样性需求去做3D打印产品，为顾客们提供品相最好的作品，这样做不但能很大程度降低了产品的生产成本和市场竞争风险，还在一定程度上改善了很多普通用户的消费生活水平。

对3D打印技术的发展和应用带来限制的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印设备的适用性。目前3D打印技术可用的快速成型材料主要包括聚合物材料、金属材料和无机非金属。虽然聚合物材料已广泛应用于商业3D打印机，但其他材料的应用仍处于探索的初始阶段（例如限于特定塑料，树脂和金属的材料，精度只能达到微米水平），所以数量有限的印刷材料在很大程度上限制了3D打印技术的推广。幸运的是，随着科学技术的不断发展和进步，未来即将出现的更多具有良好综合性能的成型材料和材料种类的越来越丰富，都为3D打印技术的进一步发展推广提供了良好的支持。另一方面，随着3D打印技术可用材料的不断增加和3D打印机工作能力的不断提高，可以通过3D打印机进行打印的实体模型种类将会呈现不断增加的趋势，3D打印技术的应用领域也将会继续扩大。最为主要的是，随着设备的改进和新兴工艺的不断发展，3D打印产品的尺寸精度和材料性能将进一步提高，对传统的机械手工制造业的影响将慢慢展现出来。在个人应用领域，面对不同消费群体的个性化需求，将会有更紧凑、方便、经济实用的模型，适用于办公环境。

虽然3D打印技术在全球制造业中所占比例可以忽略不计，但3D打印技术的发展和应用也受到各种因素的影响，然而，随着不断的研究和技术的进步，3D打印的应用领域将不断扩大，印刷材料将更加多样化，打印设备的功能也会更加完善，而且即将给传统的生产方法带来深远的影响，引领全球制造业的新一轮革命浪潮。

马晓伟1 刘佳2 李静2 梁芳2 张天柱3

1.北京中农富兴农业信息科技有限公司

2.北京中农富通园艺有限公司

3.中国农业大学水利与工程学院