三维打印技术应用现状及前景展望

1、三维打印技术应用现状及前景展望科宁和暖 dlong 【摘要】 本文首先简要介绍了三维打印技术的原理及其分类，然后描述了三维打印技术商业发展状况，之后分别从机械加工领域、医药领域、家庭消费领域分析三维打印技术的应用前景，最后总结三维打印技术的发展趋势。 【关键词】 三维打印 应用前景 发展趋势 三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，是一种由CAD（计算机辅助设计）数据通过成型设备以材料堆积的方式制成实物的技术。三维打印技术不需要使用传统的加工器械即可快速、精确地制造零件或模具，从而有效地缩短产

2、品研发周期、提高产品质量、缩减生产成本。三维打印技术改变了传统的零件生产模式，减少了制造企业对生产空间的要求与廉价劳动力的需求，其推广应用将对传统的零件生产模式带来颠覆性的影响。 一、三维打印技术分类及优势 目前比较典型的三维打印快速成形技术主要分为三种：粉末粘结三维打印、光固化材料三维打印与熔融材料三维打印。 1、粉末粘接三维打印 粉末粘结三维打印是目前应用最为广泛的三维打印技术。其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三

3、步，逐层堆砌，形成三维产品。粘接三维打印技术的优点一是成型速度快，二是由于粉末本身可以作为支撑，因此不需要加入额外的支撑结构。其存在的缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。目前ZCorp公司的粉末粘结三维打印机占据市场主导地位。 2、光固化三维打印 光固化三维打印又称光敏三维打印，该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，然后利用紫外光对其进行固化。其工艺过程如下：首先，根据离散的虚拟实体截面数据，喷射形成单位厚度的实体材料与支撑材料截面；其次，使用紫外光照射使截面固化；再次，不断重复上述过程，直至完成零件实体与

4、支撑实体；最后，通过后续处理清理支撑实体，得到零件。光固化三维打印结合了光固化成形与喷射成形的优点，提高了零件的精度并降低了生产成本。目前，光敏三维打印机市场由美国的3Dsystem公司与以色列的Objet公司垄断。 3、熔融材料三维打印 熔融材料三维打印成形原理和工艺过程与光固化三维打印成形的原理和工艺过程类似，但熔融材料三维打印技术是通过直接喷射熔融态的热塑性塑料打印成形的，省略了紫外光照射固化工序。虽然简化了工艺，但熔融材料三维打印对成形设备与喷头性能的要求更为苛刻，而且目前可供其选择的支撑材料极其有限，从而制约了这种工艺技术的市场扩张。 三维打印技术是快速成形技术中的一种，除三维打印外

5、，目前技术成熟、应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括光固化/立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）、堆叠实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等。SLA、SLS、LOM快速成形技术需要配备价格昂贵的激光系统，与之相比三维打印快速成形设备具有价格相对便宜、运行成本低、易于维护的优势。FDM技术成形材料单一，成形温度区间短，与之相比三维快速成形技术具有成形材料种类多、成形温度区间长的优势。此外，三维快速成形技术实现过程简单，基本无生产污染，适合大规模推广应用。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，应用前景广阔。 二、三维打印材料与设备 打印材料的适用

6、范围决定了三维打印技术的应用广度，成形设备的打印精度、打印速度等性能决定了三维打印技术的应用深度，设备与材料的相容性则决定了三维打印技术的应用边界。不同的材料物理化学性质不同，对应的预处理过程、打印过程、工艺参数也有所差别。因此，不同属性的材料必须配备相应的打印机，即设备与打印材料是绑定的。 目前，3D打印机设备主要提供商有ZCorporation、Objet、Stratasys、3Dsystems等，Stratasys公司与3D Systems公司是3D打印设备两大巨头。Stratasys公司近期收购了以色列的Objet公司；3D Systems公司2012年初完成了对Z Corporati

7、on 的收购。为表述方便，仍采用未收购前的公司及产品名称。ZCorporation公司自1995年开始研发粉末粘结成形三维打印快速成形设备，目前公司已成功开发出具有成形速度快、成形色彩范围广和成形尺寸大等特点的多个系列的三维打印快速成形机，成形材料包括容易获取的石膏、橡胶、淀粉、石蜡和铸造砂等。Objet公司成立于1998年，公司致力于开发光固化三维打印快速成形设备及相关的成形材料。2007年，Objet公司推出的Eden系列产品获得市场广泛认可。目前，Objet公司已经成功开放出具有不同性能的多种光敏树脂打印材料。Stratasys公司成立于1989年，公司致力于研发熔融材料三维打印设备与材

8、料，在全球市场份额较大，公司近期推出了采用多种颜色的ABS成形材料和水溶性支撑材料的Dimension1200es系列高端打印机。3Dsystems公司1999年推出了首台以石蜡为成型材料的热喷式三维打印快速成形机，这种打印机的成本和材料均较为低廉。此后，3Dsystems公司又研发了成型精度高的以热塑性塑料为成型料的热喷式三维打印快速成形机和以光敏树脂为成型料的三维打印快速成形机。除了生产销售专业打印机外，ZCorpration、Objet、Statasys、3Dsystem等公司也积极研究开发低价位、小型桌面化的快速成形设备，促使桌面三维打印设备市场进入快速成长期。 三、三维打印的应用 随

9、着三维打印快速成形设备功能的不断改进与打印材料的不断开发，三维打印的应用范围将逐渐拓展。尤其在机械加工、医学工程、家庭消费等领域应用空间巨大。 1、机械加工领域 三维打印快速成形技术可以用于快速制模与快速制造。ZCorporation公司生产的粉末粘结三维打印快速成形机能够快速地制造出可直接浇铸低熔点金属的铸造模。三维打印快速成形技术可以直接将陶瓷粉和金属粉粘结成形，然后通过烧结固化、渗入低熔点金属等工艺获得陶瓷或金属零件，也可以直接喷射熔融的陶瓷悬浮液或金属液进行打印，再经过简单的辅助处理得到陶瓷或金属制件。 由于受到打印材料、打印尺寸的约束以及设备精度低导致的成品性能降低，目前三维打印的金

10、属制件大多局限于部分低端制造业领域，但随着打印机价格的下降及设备精度的提高，三维打印在机械加工领域的应用范围将不断拓展。三维打印机的应用将降低零部件生产的技术门槛，同时减少零部件生产对劳动力的依赖。未来，伴随三维打印的普及，那些依靠廉价劳动力获得生存空间的低端制造企业的比较优势将会逐渐消失，而无一技之长的劳动力也将面临更加严峻的就业压力。 2、医药工程领域 运用三维打印技术可以快速精确地制造人体的器官模型。借助器官模型，医生可以对患者进行病情诊断。同时人体器官模型可以帮助医生充分进行术前讨论，以寻求最佳的手术治疗方案，从而能有效缩短手术时间，降低手术风险。由于医用模型的应用易于推广，该市场在发

11、达国家正迅速扩张。除了医用模型，利用三维打印还可以制造出高效药品。由于药品的尺寸形状相似度高，且成形工艺过程易于移植，应用前景广阔。美国科学家已成功利用三维打印快速成型技术制造出可供口服的可控释放药片。三维打印也可制造出人工骨骼，将可降解的工程材料作为打印材料，利用三维打印设备制作成携带活性因子且疏松多孔的人工骨骼，当人工骨骼植入生命体后，经过一段时间的降解、钙化，可被生命体完全吸收并形成新骨，其有效性已经在动物实验中得到了验证。 3、家庭消费领域 早期的三维打印机主要面向工程与医药领域，且价格昂贵、功能单一、体型硕大，严重制约了其在家庭消费领域的应用。但随着面向家庭与个人应用的桌面三维打印机

12、的问世，三维打印家庭消费市场逐渐升温。随着面向家庭应用的三维打印机的的价格不断降低，功能日益多样化，三维打印机在家庭消费领域的应用将迅速扩大。以食品领域为例，2011年，康奈尔大学的创新机器实验室研发出一台三维食物打印机，用它可以制作出巧克力、棉花糖甚至蛋糕。2012年，宾夕法尼亚大学的科学家使用三维打印机技术在实验室打印出了人造肉，鲜肉组织可在糖类物质构成的框架上生长，口感与真肉十分相近。虽然三维打印食品仍处于实验阶段，但是近期研究成果显示其在食品领域具有广阔的应用前景。 四、三维打印的前景展望 1、材料多元化 制约三维打印快速成形技术应用推广的主要因素是成形材料的特殊性与成形设备的适用性。

13、目前可用于商业化三维打印快速成形的材料主要包括高分子材料、无机非金属和金属材料。虽然高分子材料在商业化三维打印机已经得到广泛应用，但其他材料的应用仍处于探索阶段。有限的可选择的打印材料限制了三维打印技术的推广。而随着技术的进步，可利用材料的种类越来越丰富，未来将出现更多具有良好综合性能的成形材料，为三维打印技术的推广提供了良好的支撑。 2、产品应用领域扩大，性能提高 随着可供选择的打印材料的不断扩充，三维打印机能够打印出来的实体将不断增加，应用领域将不断扩大。更为重要的是，随着新工艺的开发和设备的改进，产品的尺寸精度与性能将进一步提高，对低端制造业的冲击将逐渐显现。 3、专业打印机与个人打印机并行发展 在商业领域，拓展三维打印设备的体积以容纳更多零部件是拓展