三維打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

1、三維打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望科寧和暖 dlong 【摘要】 本文首先簡要介紹了三維打印技術(shù)的原理及其分類，然后描述了三維打印技術(shù)商業(yè)發(fā)展狀況，之后分別從機械加工領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域、家庭消費領(lǐng)域分析三維打印技術(shù)的應(yīng)用前景，最后總結(jié)三維打印技術(shù)的發(fā)展趨勢。 【關(guān)鍵詞】 三維打印 應(yīng)用前景 發(fā)展趨勢 三維打?。═hree Dimension Printing，簡稱3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術(shù)，是一種由CAD（計算機輔助設(shè)計）數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料堆積的方式制成實物的技術(shù)。三維打印技術(shù)不需要使用傳統(tǒng)的加工器械即可快速、精確地制造零件或模具，從而有效地縮短產(chǎn)

2、品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減生產(chǎn)成本。三維打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的零件生產(chǎn)模式，減少了制造企業(yè)對生產(chǎn)空間的要求與廉價勞動力的需求，其推廣應(yīng)用將對傳統(tǒng)的零件生產(chǎn)模式帶來顛覆性的影響。 一、三維打印技術(shù)分類及優(yōu)勢 目前比較典型的三維打印快速成形技術(shù)主要分為三種：粉末粘結(jié)三維打印、光固化材料三維打印與熔融材料三維打印。 1、粉末粘接三維打印 粉末粘結(jié)三維打印是目前應(yīng)用最為廣泛的三維打印技術(shù)。其工藝過程如下：首先，在工作平臺上均勻鋪灑單位厚度的粉末材料；其次，依據(jù)實體模型離散層面的數(shù)字信息將粘結(jié)劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結(jié)，形成單位實體截面層；再次，將工作臺下降一個單位層厚；最后，重復第一步至第三

3、步，逐層堆砌，形成三維產(chǎn)品。粘接三維打印技術(shù)的優(yōu)點一是成型速度快，二是由于粉末本身可以作為支撐，因此不需要加入額外的支撐結(jié)構(gòu)。其存在的缺點是，通過粉末粘連成形的零件精度和強度偏低，一般需要后續(xù)工藝提高其強度，但后續(xù)處理工藝會導致零件體積收縮，變形嚴重。目前ZCorp公司的粉末粘結(jié)三維打印機占據(jù)市場主導地位。 2、光固化三維打印 光固化三維打印又稱光敏三維打印，該技術(shù)使用液態(tài)光敏樹脂作為原料制作零件模型，然后利用紫外光對其進行固化。其工藝過程如下：首先，根據(jù)離散的虛擬實體截面數(shù)據(jù)，噴射形成單位厚度的實體材料與支撐材料截面；其次，使用紫外光照射使截面固化；再次，不斷重復上述過程，直至完成零件實體與

4、支撐實體；最后，通過后續(xù)處理清理支撐實體，得到零件。光固化三維打印結(jié)合了光固化成形與噴射成形的優(yōu)點，提高了零件的精度并降低了生產(chǎn)成本。目前，光敏三維打印機市場由美國的3Dsystem公司與以色列的Objet公司壟斷。 3、熔融材料三維打印 熔融材料三維打印成形原理和工藝過程與光固化三維打印成形的原理和工藝過程類似，但熔融材料三維打印技術(shù)是通過直接噴射熔融態(tài)的熱塑性塑料打印成形的，省略了紫外光照射固化工序。雖然簡化了工藝，但熔融材料三維打印對成形設(shè)備與噴頭性能的要求更為苛刻，而且目前可供其選擇的支撐材料極其有限，從而制約了這種工藝技術(shù)的市場擴張。 三維打印技術(shù)是快速成形技術(shù)中的一種，除三維打印外

5、，目前技術(shù)成熟、應(yīng)用比較廣泛的商業(yè)化快速成形工藝還包括光固化/立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）、堆疊實體制造（LOM）、熔融堆積成形（FDM）等。SLA、SLS、LOM快速成形技術(shù)需要配備價格昂貴的激光系統(tǒng)，與之相比三維打印快速成形設(shè)備具有價格相對便宜、運行成本低、易于維護的優(yōu)勢。FDM技術(shù)成形材料單一，成形溫度區(qū)間短，與之相比三維快速成形技術(shù)具有成形材料種類多、成形溫度區(qū)間長的優(yōu)勢。此外，三維快速成形技術(shù)實現(xiàn)過程簡單，基本無生產(chǎn)污染，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，三維打印技術(shù)被認為是最具生命力的快速成形技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮?，?yīng)用前景廣闊。 二、三維打印材料與設(shè)備 打印材料的適用

6、范圍決定了三維打印技術(shù)的應(yīng)用廣度，成形設(shè)備的打印精度、打印速度等性能決定了三維打印技術(shù)的應(yīng)用深度，設(shè)備與材料的相容性則決定了三維打印技術(shù)的應(yīng)用邊界。不同的材料物理化學性質(zhì)不同，對應(yīng)的預處理過程、打印過程、工藝參數(shù)也有所差別。因此，不同屬性的材料必須配備相應(yīng)的打印機，即設(shè)備與打印材料是綁定的。 目前，3D打印機設(shè)備主要提供商有ZCorporation、Objet、Stratasys、3Dsystems等，Stratasys公司與3D Systems公司是3D打印設(shè)備兩大巨頭。Stratasys公司近期收購了以色列的Objet公司；3D Systems公司2012年初完成了對Z Corporati

7、on 的收購。為表述方便，仍采用未收購前的公司及產(chǎn)品名稱。ZCorporation公司自1995年開始研發(fā)粉末粘結(jié)成形三維打印快速成形設(shè)備，目前公司已成功開發(fā)出具有成形速度快、成形色彩范圍廣和成形尺寸大等特點的多個系列的三維打印快速成形機，成形材料包括容易獲取的石膏、橡膠、淀粉、石蠟和鑄造砂等。Objet公司成立于1998年，公司致力于開發(fā)光固化三維打印快速成形設(shè)備及相關(guān)的成形材料。2007年，Objet公司推出的Eden系列產(chǎn)品獲得市場廣泛認可。目前，Objet公司已經(jīng)成功開放出具有不同性能的多種光敏樹脂打印材料。Stratasys公司成立于1989年，公司致力于研發(fā)熔融材料三維打印設(shè)備與材

8、料，在全球市場份額較大，公司近期推出了采用多種顏色的ABS成形材料和水溶性支撐材料的Dimension1200es系列高端打印機。3Dsystems公司1999年推出了首臺以石蠟為成型材料的熱噴式三維打印快速成形機，這種打印機的成本和材料均較為低廉。此后，3Dsystems公司又研發(fā)了成型精度高的以熱塑性塑料為成型料的熱噴式三維打印快速成形機和以光敏樹脂為成型料的三維打印快速成形機。除了生產(chǎn)銷售專業(yè)打印機外，ZCorpration、Objet、Statasys、3Dsystem等公司也積極研究開發(fā)低價位、小型桌面化的快速成形設(shè)備，促使桌面三維打印設(shè)備市場進入快速成長期。 三、三維打印的應(yīng)用 隨

9、著三維打印快速成形設(shè)備功能的不斷改進與打印材料的不斷開發(fā)，三維打印的應(yīng)用范圍將逐漸拓展。尤其在機械加工、醫(yī)學工程、家庭消費等領(lǐng)域應(yīng)用空間巨大。 1、機械加工領(lǐng)域 三維打印快速成形技術(shù)可以用于快速制模與快速制造。ZCorporation公司生產(chǎn)的粉末粘結(jié)三維打印快速成形機能夠快速地制造出可直接澆鑄低熔點金屬的鑄造模。三維打印快速成形技術(shù)可以直接將陶瓷粉和金屬粉粘結(jié)成形，然后通過燒結(jié)固化、滲入低熔點金屬等工藝獲得陶瓷或金屬零件，也可以直接噴射熔融的陶瓷懸浮液或金屬液進行打印，再經(jīng)過簡單的輔助處理得到陶瓷或金屬制件。 由于受到打印材料、打印尺寸的約束以及設(shè)備精度低導致的成品性能降低，目前三維打印的金

10、屬制件大多局限于部分低端制造業(yè)領(lǐng)域，但隨著打印機價格的下降及設(shè)備精度的提高，三維打印在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將不斷拓展。三維打印機的應(yīng)用將降低零部件生產(chǎn)的技術(shù)門檻，同時減少零部件生產(chǎn)對勞動力的依賴。未來，伴隨三維打印的普及，那些依靠廉價勞動力獲得生存空間的低端制造企業(yè)的比較優(yōu)勢將會逐漸消失，而無一技之長的勞動力也將面臨更加嚴峻的就業(yè)壓力。 2、醫(yī)藥工程領(lǐng)域 運用三維打印技術(shù)可以快速精確地制造人體的器官模型。借助器官模型，醫(yī)生可以對患者進行病情診斷。同時人體器官模型可以幫助醫(yī)生充分進行術(shù)前討論，以尋求最佳的手術(shù)治療方案，從而能有效縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)風險。由于醫(yī)用模型的應(yīng)用易于推廣，該市場在發(fā)

11、達國家正迅速擴張。除了醫(yī)用模型，利用三維打印還可以制造出高效藥品。由于藥品的尺寸形狀相似度高，且成形工藝過程易于移植，應(yīng)用前景廣闊。美國科學家已成功利用三維打印快速成型技術(shù)制造出可供口服的可控釋放藥片。三維打印也可制造出人工骨骼，將可降解的工程材料作為打印材料，利用三維打印設(shè)備制作成攜帶活性因子且疏松多孔的人工骨骼，當人工骨骼植入生命體后，經(jīng)過一段時間的降解、鈣化，可被生命體完全吸收并形成新骨，其有效性已經(jīng)在動物實驗中得到了驗證。 3、家庭消費領(lǐng)域 早期的三維打印機主要面向工程與醫(yī)藥領(lǐng)域，且價格昂貴、功能單一、體型碩大，嚴重制約了其在家庭消費領(lǐng)域的應(yīng)用。但隨著面向家庭與個人應(yīng)用的桌面三維打印機

12、的問世，三維打印家庭消費市場逐漸升溫。隨著面向家庭應(yīng)用的三維打印機的的價格不斷降低，功能日益多樣化，三維打印機在家庭消費領(lǐng)域的應(yīng)用將迅速擴大。以食品領(lǐng)域為例，2011年，康奈爾大學的創(chuàng)新機器實驗室研發(fā)出一臺三維食物打印機，用它可以制作出巧克力、棉花糖甚至蛋糕。2012年，賓夕法尼亞大學的科學家使用三維打印機技術(shù)在實驗室打印出了人造肉，鮮肉組織可在糖類物質(zhì)構(gòu)成的框架上生長，口感與真肉十分相近。雖然三維打印食品仍處于實驗階段，但是近期研究成果顯示其在食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 四、三維打印的前景展望 1、材料多元化 制約三維打印快速成形技術(shù)應(yīng)用推廣的主要因素是成形材料的特殊性與成形設(shè)備的適用性。

13、目前可用于商業(yè)化三維打印快速成形的材料主要包括高分子材料、無機非金屬和金屬材料。雖然高分子材料在商業(yè)化三維打印機已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但其他材料的應(yīng)用仍處于探索階段。有限的可選擇的打印材料限制了三維打印技術(shù)的推廣。而隨著技術(shù)的進步，可利用材料的種類越來越豐富，未來將出現(xiàn)更多具有良好綜合性能的成形材料，為三維打印技術(shù)的推廣提供了良好的支撐。 2、產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域擴大，性能提高 隨著可供選擇的打印材料的不斷擴充，三維打印機能夠打印出來的實體將不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大。更為重要的是，隨著新工藝的開發(fā)和設(shè)備的改進，產(chǎn)品的尺寸精度與性能將進一步提高，對低端制造業(yè)的沖擊將逐漸顯現(xiàn)。 3、專業(yè)打印機與個人打印機并行發(fā)展 在商業(yè)領(lǐng)域，拓展三維打印設(shè)備的體積以容納更多零部件是拓展