3D打印技術(shù)是一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通常采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來(lái)的工藝。因此，3D打印技術(shù)的特點(diǎn)是“分層制造、逐層疊加”，類似于積分過(guò)程。實(shí)際上，3D打印是一種快速成型技術(shù)，是一種較為成熟的工業(yè)制造方法。上世紀(jì)80年代，3D打印的概念已經(jīng)出現(xiàn)，隨后開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室萌芽。近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)個(gè)性化的要求越來(lái)越高，都希望能夠使用限量版、獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品。而3D打印在不增加制造成本的情況下，非常適合滿足這類需求。因此，3D打印技術(shù)受到了包括《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志等的廣泛追捧和看好。3D打印的潛能和應(yīng)用領(lǐng)域也在快速擴(kuò)大，從模型、生活用品到藝術(shù)品，甚至到航空航天零部件、醫(yī)用生命體等都能發(fā)揮3D打印技術(shù)的創(chuàng)造性和獨(dú)特性。
根據(jù)零件的形狀，3D打印軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)完成數(shù)字切片，每層切片截面類似于一張醫(yī)學(xué)CT像片，軟件將零件的切片信息傳遞給3D打印機(jī)，然后在計(jì)算機(jī)的控制下3D打印機(jī)按照接收到的信息逐層制造極薄厚度和特定形狀的切片截面，再依次將截面粘結(jié)疊加，直到形成一個(gè)立體的固態(tài)零件。3D打印的過(guò)程（如圖1所示），在XYZ三個(gè)方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)增材制造，最終制備三維零部件。由此可見(jiàn)，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)最大的區(qū)別在于使用的“墨水”是組成零部件的真實(shí)原材料。
圖1 3D打印的工作過(guò)程
目前，影響3D打印技術(shù)發(fā)展的因素主要有兩方面：打印材料和設(shè)備。與設(shè)備的開(kāi)發(fā)相比，新型打印材料的研發(fā)更具有難度。3D打印耗材與普通材料并不相同，需要經(jīng)過(guò)特殊處理，能夠滿足固化反應(yīng)速度高、快速精確成型、使用簡(jiǎn)便等要求，此外，不同的3D打印技術(shù)對(duì)耗材的要求也不盡相同。按照材料的化學(xué)性能不同，3D打印耗材可分為樹脂類材料、工程塑料、陶瓷材料、金屬材料、人造橡膠和石蠟材料等。3D打印材料目前的價(jià)格從幾百塊至四萬(wàn)塊每千克不等，國(guó)內(nèi)大部分耗材依賴進(jìn)口。3D打印耗材一般為液態(tài)、粉狀、絲狀、片層狀等，固化的方式有加熱、降溫、紫外線和激光燒結(jié)四種。目前，比較成熟的3D打印技術(shù)主要是熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、光固化成型（SLA）和分層實(shí)體制造（LOM）。
3D打印不僅能夠按需定制、節(jié)省原材料，還可以在藝術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的個(gè)性化魅力。3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、鏤空花紋等領(lǐng)域的制造能力獨(dú)一無(wú)二，能夠?qū)⑺囆g(shù)家天馬行空的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。3D打印技術(shù)可以創(chuàng)造出以前在形狀和尺寸上難以實(shí)現(xiàn)的雕塑作品，在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)成千上萬(wàn)的逐層打印制造出三維實(shí)體（圖2是利用3D打印技術(shù)制造的三維維納斯雕塑）。對(duì)于復(fù)雜的鏤空設(shè)計(jì)，3D打印實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)無(wú)法達(dá)到的境界，為藝術(shù)創(chuàng)造提供了廣闊的想象空間（圖3是利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的鏤空花紋藝術(shù)作品的制造）。
圖2 3D打印的雕塑維納斯
圖3 3D打印的鏤空藝術(shù)品
3D打印的個(gè)性化日常用品不僅可以豐富人們的生活，還可以根據(jù)個(gè)人的習(xí)慣、愛(ài)好和身體特征制造生活用品。這就極大地提高了人們的生活質(zhì)量和便利，為社會(huì)的發(fā)展和多樣化提供了可靠保障。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們可能不用再外出購(gòu)物，只需要在家里打印日常生活用品。這不僅可以節(jié)約時(shí)間和金錢，還可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的需求和條件，打印一些創(chuàng)新性的居家用品，服務(wù)于一個(gè)特定的目的。比如，為了充分利用好最后一滴牙膏，可以利用3D打印機(jī)量身定制合適的牙膏推（具體如圖4所示）。3D打印或?qū)⑹且粓?chǎng)潛在的變革，將會(huì)徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞?。在將?lái)，人們可能不用去超市或者網(wǎng)店購(gòu)買衣架、燈罩等生活用品，只需要購(gòu)買設(shè)計(jì)即可，然后在家中或指定的機(jī)器中打印出來(lái)。3D打印在生活中的應(yīng)用將會(huì)體現(xiàn)科學(xué)、實(shí)用和藝術(shù)的完美結(jié)合（圖5是一臺(tái)簡(jiǎn)易3D打印機(jī)正在利用塑料絲制造水杯）。此外，3D打印技術(shù)甚至可用于制造美食。美國(guó)康奈爾大學(xué)創(chuàng)新機(jī)械實(shí)驗(yàn)室一直處于3D打印食物的技術(shù)前沿，他們目前可以利用3D打印機(jī)制造任意美食（圖6是利用3D打印技術(shù)制造的部分美食產(chǎn)品）。
圖4 3D打印的牙膏推
圖5 臺(tái)式3D打印機(jī)正在逐層制造水杯
圖6 3D打印的航天飛機(jī)奶酪、雀巢拖拉機(jī)巧克力、彩色糖果和鷹嘴豆糕
3D打印是材料、機(jī)械和信息技術(shù)集成發(fā)展的產(chǎn)物，在航空航天、汽車和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)目前在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，主要是由于三方面原因造成：第一，航空航天裝備的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)制造工藝難以精準(zhǔn)加工；第二，3D打印可以輕松加工高熔點(diǎn)、高硬度的材料；第三，3D打印的產(chǎn)品十分接近使用要求，不需或者僅需少量的后續(xù)加工，能夠縮短生產(chǎn)周期。因此，3D打印技術(shù)被用于開(kāi)發(fā)復(fù)雜形狀的航空航天零部件，或用于修復(fù)破損零部件。美國(guó)NASA于2014年向國(guó)際空間站發(fā)射了首套3D打印機(jī)，用以研究微重力環(huán)境下的3D打印技術(shù)，這對(duì)在外太空下實(shí)現(xiàn)3D打印具有重要意義（圖7是太空3D打印機(jī)及其作品）。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，利用3D打印機(jī)可望實(shí)現(xiàn)在太空制造航天器整機(jī)，甚至利用太空垃圾制造空間探索裝備的零部件。在將來(lái)的深空探測(cè)中，利用小行星，3D打印機(jī)可就地取材，制造宇宙飛船的零部件，并與機(jī)器人配合，建造太空中轉(zhuǎn)站和人類定居點(diǎn)。毫不夸張地說(shuō)，3D打印將開(kāi)啟太空時(shí)代，意義類似于18世紀(jì)的大航海時(shí)代（圖8是利用3D打印機(jī)在月球上建立探測(cè)基地的效果圖）。3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也具有十分廣泛的應(yīng)用前景， 3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)因人制宜、就地制作、不限數(shù)量、節(jié)約成本，能夠滿足個(gè)性化、精準(zhǔn)化的醫(yī)療需求。目前，3D打印主要用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的三個(gè)方面：第一，診療器械、醫(yī)療模型、假肢、助聽(tīng)器等無(wú)需留在體內(nèi)的醫(yī)療器械；第二，各類合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材質(zhì)的骨骼、軟骨、牙齒等個(gè)性化永久植入體；第三，利用細(xì)胞等活性物質(zhì)，經(jīng)3D打印和培育，形成具有生理功能的組織器官（圖9是3D打印的耳朵模型）。
圖7 3D打印機(jī)在國(guó)際空間站及其打印的作品
圖8 3D打印的探月基地效果圖
圖9 3D打印的人耳模型
3D打印技術(shù)是高端設(shè)計(jì)、特殊打印材料、專業(yè)設(shè)備和信息通訊技術(shù)等產(chǎn)業(yè)共同支撐融合的結(jié)果，將帶來(lái)新的產(chǎn)品技術(shù)、制造技術(shù)和管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、就地生產(chǎn)和銷售的市場(chǎng)模式，對(duì)經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易、商業(yè)產(chǎn)生根本性的影響，從而最終成為第三次工業(yè)革命的核心力量。未來(lái)的社會(huì)，必將是多樣化、個(gè)性化的組織結(jié)構(gòu)，而3D打印能夠推動(dòng)這種潮流的發(fā)展，最終滿足人們的個(gè)性化需求并提供社會(huì)進(jìn)步的動(dòng)力。
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