神奇魔术之“3D打印技术”，将空想变为现实！

摘 要

3D打印技术标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，无论在学术界还是工业界都引发了新一轮的创新浪潮。现如今，3D打印技术的应用不再仅仅是基于模型的制造，而是逐渐面向终端产品的直接制造甚至批量生产。本文从Wohlers Associate发布的最新Wohlers Report 2022出发，重点阐述了常用的3D打印工艺及3D打印技术在航空航天、生命医疗及精密器件等领域的应用，并展望了3D打印技术在未来的发展。

关键词：3D打印，智能制造，模型，应用

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前 言

2012年上映的《十二生肖》电影里面除了成龙的招牌动作戏，让人印象深刻的莫过于3D打印这个技术。影片中，成龙使用带有传感器的手套对兽首进行扫描，把数据存入电脑，然后进行3D建模，最终3D打印出一个完美的复制品。这个剧情看起来充满了科幻色彩，但现实生活中，3D打印技术从模型到应用一直在不断发展，并且在未来很有可能成为智能制造领域的颠覆性技术。 

图1.《十二生肖》中成龙使用带有传感器的手套对兽首进行扫描(左)，3D打印的兽首(右)

3D打印技术又称增材制造(Additive manufacturing)，是一种以数字模型文件为基础，将材料逐层叠加以构建现实三维物体的技术。作为“决定未来经济的12大颠覆技术”之一和“第三次工业革命的引擎”，3D打印标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，无论在学术界还是工业界都引发了新一轮的创新浪潮。 

图2. 学术界近几十年3D打印相关论文发表数量增长趋势(图源自文献）

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3D打印工艺

纵观3D打印技术的发展史，最早可追溯至1984年由美国科学家Charles Hull发明的立体光固化成型技术。随后又逐步发展出其他新型3D打印工艺。根据国际标准化组织增材制造技术委员会发布的ISO/ASTM 52900: 2015标准，3D打印工艺主要分为七大类：(1) 材料挤出成型(Material extrusion): 熔融沉积成型(Fused deposition modelling, FDM)；(2) 光聚合成型(Vat photo polymerization): 立体光刻成型(Stereolithography appearance, SLA)和数字光处理(Digital light processing, DLP)；(3) 定向能量沉积成型(Directed energy deposition): 电子束熔丝沉积(Electron beam direct manufacturing, EBDM)和激光同步送粉(LENS，LBMD，LSF)；(4) 材料喷射成型 (Material jetting): 连续材料喷射(Continuous material jetting, CMJ)、纳米颗粒喷射(Nanoparticles jetting, NPJ)和按需滴落(Drop on-demand, DOD)；(5) 粘合剂喷射成型 (Binder Jetting): 微喷射粘结成型(Three-dimensional printing and gluing, 3DP)；(6) 粉末床熔融成型 (Powder bed fusion): 选择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)、选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)和电子束选区熔化(Electron-beam selective melting, EBSM)；(7) 片材层压型 (Sheet lamination): 分层实体制造(LOM)和超声波增材制造(Ultrasonic additive manufacturing, UAM)。

图3. 常见的3D打印工艺(图源自文献）

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3D打印应用

2022年3月18日，全球权威3D打印行业研究机构Wohlers Associate发布了2022年的3D打印市场报告，指出行业到达了新的拐点-从原型制作到批量生产。市场情报主管Terry Wohlers表示：“正如预期的那样，3D打印行业已经到了发展的正轨，这种增长跨越了航空航天、医疗保健、汽车、消费品、能源和其他部门。”与传统制造技术相比，3D打印技术具有“去模具、减废料、降库存和升效率”等特点，在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源，极大提高制造效率，实现“设计引导制造”的创新理念。现如今，3D打印技术的应用不再仅仅是基于模型的制造，而是逐渐面向终端产品的直接制造甚至批量生产，涉及到的领域主要有航天军工、生命医疗、精密器件、汽车船舶、能源动力、文化创意和建筑等。

图4. 2022年3D打印行业报告《Wohlers Report 2022》封面(图源自网络）

3.1

航空航天

航天飞行器产品结构零部件种类繁多且结构复杂，生产周期长、成本高。此前，一套复杂结构产品的部件常常由数十个零件组成，且涉及铸造、焊接和打磨等一系列工序，很大一部分材料被切掉和浪费。同时，由于“车铣刨磨”等传统机加工艺的限制，要让飞行器“瘦身减肥”很困难，直接影响飞行器的性能提升，结构设计师为了减少几克的重量也是煞费苦心。如今，通过3D打印技术实现面向增材制造的一体化结构设计与制造，通过一体化三维建模后导入3D打印机中直接成型，一台打印机可实现多个零件的同时打印，制造时间从几个月缩短到十余天。同时，随着零件数量的减少，部件装配环节也更简化, 结构可靠性和装配效率大幅提升。通过模型设计“点阵结构”使得零部件轻量化更加容易实现。因此，3D打印技术的运用节省了大量的劳动力、时间和成本。未来，对于更长的太空任务，3D打印机是不可错过的“工具包”，它可以让工作人员即时更换损坏的组件，从而延长旅程。3D打印对永久性空间站建设也是有帮助的，甚至可以在月球和太空中直接建造。

图5. 3D打印在航空航天领域的应用(图源自文献）

3.2

生命医疗

面向生命医疗的3D打印技术通常称为“生物3D打印”，生物3D打印技术是将生物单元(细胞/蛋白质/DNA等)和生物材料按照仿生形态学、生物结构或生物功能、细胞特定微环境等要求用3D打印技术制造出具有个性化的体外三维结构模型或三维生物功能结构体。根据打印材料和打印产品的特性，3D打印技术在生物医学领域的应用发展可以分为五个阶段：从打印不需要生物相容性的手术模型和体外医疗设备(如：矫形工具、手术导板等)，到需要一定生物相容性但不需可降解性的永久性植入物(如：钛合金、聚醚醚酮骨植入支架等)，再到应具有生物相容性、可降解性和可吸收性的组织工程支架，最后再到活细胞作为构造单元被直接打印构建仿生体外组织模型，实现了从无生命到有生命的跨越。最近，3D打印技术在生物医学领域的应用已经推进到第五阶段：类器官或微器官被工程化和组装，以制造复杂的体外生命系统或微生理系统。也许未来有一天，利用患者自身的细胞等作为原材料，再运用先进的生物3D打印技术在实验室中就能够快速、廉价地构建健康的新器官，那将能挽救多少垂危的生命？

图6. 3D打印在生命医疗领域的应用(图源自文献）

3.3

精密器件

除了大尺寸的制造，3D打印技术另一个聚焦点是微观方面，即能够制造精密、微细、复杂的器件。应用于精密器件打印的技术通常称为“微纳3D打印”，相较于传统器件制造方法，微纳3D打印技术能够实现对细微复杂结构的精确制造，这或将颠覆整个精密器件制造业。此外，和同等精密水平的传统工艺相比，微纳3D打印不仅精度更出色，成本显著降低，生产效率更高，制造方法也更加容易。最典型的就是可穿戴柔性电子器件领域，除了满足“柔性”以外，还必须具有个性化和精密的设计。3D打印技术可以控制在何处绘制导电特征图案，设计电路，创造出几乎任何精密尺寸和形状的柔性电子器件。这种新方法是跨学科交叉的一个典范，将3D打印技术的精准与电子元器件的数字化编程相结合，未来功能会更加强大和全面。

图7. 3D打印在精密器件领域的应用(图源自文献）

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结语

作为“互联网+智能制造”的代表，3D打印技术几乎完美地满足了定制与大规模生产的要求，并在众多领域展现出无限的创造性。面对未来，3D打印技术将进一步向智能化和产业化方向发展。相信随着需求的不断挖掘、政策的持续引导和行业标准的逐步规范化，3D打印应用的广度和深度将进一步加速拓展，期待在其不断完善与精进的路上能够为未来智能制造带来里程碑式的变化。

图8. 3D打印结构材料的应用领域(图源自文献）