基于3D打印技术材料的现状和发展方向

摘要：近年来，3D打印概念进入了人们的视线，并引起了无数发展遐想。有人把“3D打印技术”看作是“第三次工业革命”的主要标志之一，因为它带给我们的各领域的变革不可预估。这在一定程度上类似于当年网络概念的出现，开始人们根本无法想象网络时代的来临究竟会给人类带来何种变化，直到这种概念成为现实，才知道这种变化是翻天覆地的。只要能够设计出来任何我们需要的产品，就能够通过3D打印技术打印出来。

中图分类号：C93 文献标识码： A

一.3D打印技术概述

3D打印学名为增材制造技术，其工作原理是将计算机设计出的三维模型分解为若干层平面切片，然后把“打印”材料按切片图形逐层叠加，最终“堆积”成完整的物体。关于3D打印技术的发展脉络、各种技术原理及适用范围已经在各书籍、论文中，限于篇幅，本文不再赘述。

3D打印，也可称之为增量制造，是通过打印机打出而非加工出各类工业与日常产品。之所以使用“打印”一词，是因为其原理与传统打印机相似，其“打印”都是通过电脑操作来完成。但本质上存在许多区别，比如传统打印机里面装的是墨粉，而3D打印机里面却是一个庞大复杂的材料系统。系统里面是根据产品需要配备的多种高技术的新材料。

二.打印技术的优点

3D打印机是一个庞大的系统工程，涉及到软件开发与应用、新材料，还涉及到打印装备、自动化控制系统，不是传统打印机看起来那么简单。

1.无需模具就能成型，也不需要机械加工，就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。而传统的制造业最核心的一个环节就是要造模，很多高端产品能够设计出来，最大的困难是生产不出来成品，原因就出在造模环节，且耗时很长。而3D打印机则跨越了造模这个环节。

2.打印，即增量制造，也称作快速成型技术，是基于材料累加原理的快速成型操作过程，将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术，具有不受零件复杂程度限制、完全数字化控制等特点；而传统的制造业是减量制造，先做一个大的框架，然后根据需要减去不需要的部分。所以3D打印可以节约90%左右的材料。

3.这种技术是带有一种变革性的，短流程、低成本、数字化、高性能的制备构建制造一体化的技术。对构建的制造是重要的，尤其是这种技术一部分高性能难加工构建技术的革命，潜力巨大。

三.3D打印技术目前主要应用领域

目前，3D打印主要用在3个方面：大众消费（桌面级）、工业级、生物工程级。

大众消费（桌面级）。用于工业设计、工艺设计、珠宝、玩具、文化创意等领域。

又有工业级两个方面，一是原型制造，主要用于模具、模型等行业。二是产品制造，包括大型金属结构件和小型金属零部件的直接制造。

生物工程级。如打印器官、骨骼、牙齿、细胞、软组织等。

31.3D技术应用前景

通过中国知网、维普等查询到关于3D的论文汗牛充栋，让人热血沸腾。但基本都是关于3D技术的普及知识以及在医学、模具、建筑等应用案例。资本市场也热闹非凡，但有头脑的风投非常谨慎[2]。一般认为：

①3D打印不可能，至少不可能完全，取代传统制造业。

3D打印究竟能够做什么？美国的、欧洲的3D企业，也说不出来。否则，他们就不会在世界3D产业大会上和中央电视台的专题节目中炫耀：利用3D打印技术打印一把吉他，打印一支电子琴，打印一个台灯，或者打印一把手枪……

传统制造业经过数千年的积累和发展，已经非常完善和成熟，无论是工艺特点，还是成本因素、材料因素，3D打印技术都是无法比拟的。3D打印技术的真正奥秘所在，不是什么都能做，而应该是传统制造业不能做或很难做的领域，利用3D打印技术可以轻松实现[1]。

②个人消费。

由于成本问题以及操作者的技术水平DD因为3D应用并不是零门槛，要以现有技术，一家用户需要准备多种原材料和成本的水平推广，肯定有难度，很难形成市场规模。关键是如何培育应用市场，用户是需要去培育的。所以，短期内家用3D打印行业也难形成气候。

3.2.3D打印技术在铸造中应用现状综述

3D打印在铸造中已经有一些应用，主要是用在快速制造砂型和直接打印金属产品两方面。在缺陷修补（挽救）方面也有一定的应用。

四.国内外发展状况比较

我国3D打印与欧洲不在同一水平，国内有些专家的乐观有些盲目。

首先，在欧洲，在科技创新，人才基础，工艺技术，产业基础以及原材料对比，其3D打印行业技术确实比我们成熟。其次从产业规模来说，普遍比国内大，一旦3D打印市场启动，我们会远远落后于他们。但是，值得庆幸的是2012年10月以来，国内率先成立了中国3D打印技术产业联盟，“小而散”的局面正得到改变，而欧洲基本上还是各自独立，未形成阵营，这是我们的机会。

随着人们对3D技术的研究，其应用范围越来越广：

4.1.医疗行业

对医疗行业，一位83岁的老人因患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。随着技术的发展，2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。可是，目前还不能制造可以移植的肾脏。

4.2建筑设计

4.3.产品模型

在机器人大赛比赛现场，也可见用3D打印的机器人模型，3打印技术对于自创机器人的外形按照发明者的要求完美的打印出来，我们再也不必担心自己有好的想法 ，而因在外加工昂贵的费用无法实现。产品模型打印也包括3D人像打印，依靠先进的3D人体扫描仪对人物的全身进行扫描，经电脑建模后打印，做出逼真的人物3D模型。

4.4海军舰艇

2014年7月1日，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。

除以上所述，3D打印还在航天科技，食品加工等方面也有应用。

五.3D打印技术未来发展的主要趋势

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

3D打印技术提供了一种极具成本效益的方式去完成多次设计迭代，在关键的开发过程初始阶段，获取产品设计的即时反馈信息。对于产品设计几乎即时的修改，不仅有助于降低成本，而且能够加快产品上市时间。对于在设计流程中采用3D打印技术的企业来说，无疑增加了明显的竞争优势。

随着价格的下降，3D打印设备市场将会进一步扩大，尤其是在中小型企业和学校方面。3D打印设备耐用，打印快捷、准确，成本低廉等好处可以帮助企业缩短产品上市周期，增强企业竞争力。