(1．清华大学电机系 北京 100084；2. 中国电机工程学会 北京 100761)
摘要：3D打印是一门新兴的制造技术，受到了广泛关注。3D打印技术发展迅速，与传统的减材制造方式相比，具有流程短、材料省、易于成型等诸多优势。本文首先介绍了3D打印技术的起源与技术现状，对现有的主流技术进行概述，并总结了国内外发展现状。然后分别介绍了3D打印技术在医学、国防和航天、建筑设计、制造和食品等领域的应用情况。最后对3D打印技术的发展趋势进行展望，并总结了3D打印技术的不同发展阶段。
关键词：3D打印；快速成型技术；发展现状；趋势展望
DOI：10.3969/j.issn.1003-6520.2013.01.014 文章编号：1003-6520(2013)01-0096-07
1 引言
3D打印技术(3 Dimensional Printing)又名增材制造(Material Additive Manufacturing)，属于一种快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，是一个使任何形状的三维固体物品通过数字模型得以快速实现的过程。3D打印的实质是通过计算机辅助设计软件，将某种特定的加工样式进行一系列的数字切片编辑，从而生成一个数字化的模型文件，然后按照模型图的尺寸以某些特定的添加剂作为粘合材料，运用3D打印机，用液态、粉末态、丝状等的固体金属粉或可塑性高的物质进行分层加工、叠加成型，最终“打印”出真实而立体的固态物体。
3D打印技术作为目前最为先进和最为公众所关注的一种制造方式，代表了目前全球最前沿的科学技术。3D打印在制造自由度、原材料利用率等方面具有明显优势，尤其在目前更适用于小批量、定制化的加工制造。近年来，3D打印在工业应用和个人消费两个市场均取得了长足发展；工业应用的下游行业不断拓展；直接零部件制造的占比也逐年提高；经过长期的探索和实践，已呈现出快速发展趋势[1]。
2 3D打印技术现状与进展
2.1 3D打印的起源
3D打印技术的核心制造思想最早起源于美国。早在1860年，法国人Fran?ois Willème设计出一种多角度成像的方法，使用围绕在物体周围的摄像机，以三维方式捕获到了该物体；1892年，J.E. Blanther在其专利中首次提出利用层叠成型方法制作地形图的构想；1904年，Carlo Baese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理；1940年，Perera提出与Blanther不谋而合的设想，他提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板，然后层叠成型制作三维地形图的方法；20世纪50年代之后，出现了几百个有关3D打印的专利，包括点阵打印、激光打印、热敏打印、喷墨打印等[2]。
随着3D打印专利技术的不断发明，相应地用于生产的设备也被研发出来。1988年美国的3D Systems公司推出世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机，开创了3D打印技术发展的新纪元；1988年，Scott Crump发明另一种3D打印技术，即熔融沉积快速成型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)，并成立了Stratasys公司；1992年，Stratasys公司推出第一台基于FDM技术的3D打印机，这标志着FDM技术开始商用；1992年，3D Systems公司产生出第一台SLA 3D打印机；1992年，DTM公司产生出第一台SLS设备，该技术与SLA技术类似，但其使用的是粉末和激光，而不是液体。此后，3D打印技术蓬勃发展，带来了世界性制造业革命。
2.2 3D打印技术分类
目前3D打印的技术分类如图1所示，对其中使用较多的几种做详细介绍。
图1 3D打印技术分类
1)立体光固化成型技术(Stereo Lithography Apparatus，SLA)
光固化成型技术是出现最早的快速成型技术，应用比较广泛，技术也较为成熟。其主要原理是利用光敏树脂，通过计算机来控制光源照射凝固成型，并逐层固化，最终得到成品[3]。光固化成型技术的主要优势在于成型速度快、精度高，适合制作结构复杂、精度要求高的模型。
2)熔融沉积制造技术(Fused Deposition Modeling，FDM)
FDM是应用最为广泛的3D打印技术，其工作原理是将热塑性材料丝在喷头处加热融化，通过喷头底部的微细喷嘴将融化的材料以一定压力喷出，随喷头移动材料形成一个层，逐层打印直至完成整个实体[4]。这种原理的打印机结构简单、成本低廉、成型尺寸是所有成型技术中最大的，但产品表面质量较差，适合于桌面级和低精度工业产品使用。
3)叠层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing，LOM)
LOM是出现最早的3D打印技术之一，1991年就生产出了第一台使用这种技术的设备。该技术使用薄片材料(如纸张)，并在成型片材下表面涂一层热熔胶。加工时通过热压辊挤压板材，使之与已经成型的工件粘接在一起，并使用激光对工件进行切割和加工，最终形成实体部件[5]。LOM技术是最成熟的快速成型技术之一，由于原材料多为纸材，价格低廉，且成型精度高，在产品概念设计可视化、造型设计评估等方面有着广泛应用。
4)三维印刷成型技术(Three-Dimensional Printing，3DP)
3DP也叫三维打印黏结成型或喷墨沉积。这种技术是1990年由麻省理工学院研发的。该技术的首先在加工平台上按照层厚精确地铺上一层材料粉末，按照该层的形状喷头在粉末上喷撒特殊胶水使粉末固化，完成一个层的固化后再在完成部分上继续铺粉末，喷胶水，最终打印完成整个实体[6]。这种技术工艺简单，不需要支撑材料，并且可以打印彩色物品，在医学之遥、微型电机制造等方面有着广泛的应用前景。
5)选择性激光烧结技术(Se1ected Laser Sintering，SLS)
SLS是工业使用最多的一种技术，该工艺利用激光的能量，对粉末材料进行烧结成型[7]。SLS制造产品的精度相当于精密铸造，打印速度比较快，使用材料最广泛，尤其适合于金属打印，其打印产品与金属零件的机械性能相近，不适合大型和高精度零件的直接加工，而且打印后的零件装配性能很差。
2.3 国内发展现状
我国3D打印技术自上世纪九十年代初开始发展，清华大学、西安交通大学、华中科技大学等[8]在典型的成形设备、软件、材料等方面获得了一些进展，其中清华大学开展了多功能快速成形设备、熔融沉积制造设备、电子束制造设备、生物打印技术等研究；西安交通大学开展了光固化快速成形、金属熔敷制造、生物组织制造等研究，建立了快速制造国家工程研究中心；华中科技大学开展了叠层制造、选择性激光烧结、选择性激光熔化、激光近成型等技术研究。国内的高校通过科研开发和设备产业化改变了该类设备早期仰赖进口的局面，推动了我国制造技术的发展。但是作为一项正在发展中的新型制造技术，3D打印的成熟度还远不能同传统制造技术相比，还有大量研究工作需要进行。
2.4 近年国外最新进展
从国际上看，3D打印技术的研发及推广应用，一直是美国和欧洲处于领先地位。其他国家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。例如，澳大利亚在2013年制定了金属3D打印技术路线；南非正在扶持基于激光能量利用的大型3D打印机器的开发；日本着力推动3D打印技术的推广应用。
美国作为全球3D打印技术应用领域的领导者，3D打印技术的发明创造主要集中于此。在其它国家，德国的EOS公司在1995年发布了可以直接使用金属打印的技术。以色列的Object Geometries公司在2000年发明Poly Jet喷墨技术。英国巴斯大学的Adrian Bowyer在2005年启动了基于FDM技术开源的桌面级3D打印机Reprap项目，在桌面级3D打印机的发展中起到了重要的作用。
3 3D打印技术典型应用
3.1 医学领域
随着3D打印技术的发展和成熟，这一新兴的科技成果开始进入医学领域，在医学模型制造、组织器官再生和药物研发试验等领域得到了广泛应用[9]。
1)医学模型制造
医学模型在基础医学和临床实验教学中的用途十分广泛，用量也大，但是用传统方法制作医学模型程序复杂、周期长，同时由于部分模型的原材料多为石膏等，在使用过程中极易损坏。利用3D打印制作医学教学用具、医疗实验模型等用品不仅避免了上述问题的出现，同时还可以根据实际需要对一些特殊模型实现个性化制造。
2)组织器官再生
随着科学技术的发展，3D打印人体器官已经成为可能。2013年，美国军方资助的3D打印皮肤和肾脏研究取得突破。德国研究人员也利用3D打印技术制作出柔韧的人造血管，这种血管可与人体组织融合，不但不会发生排异，而且还可以生长出类似肌肉的组织。
3)药物测试研发
现阶段，大部分的药物测试主要是通过实验动物来完成，其药理作用难以得到准确反馈。利用3D技术打印的人体肝脏、肾脏和特定细胞组织用于新药测试后，不仅可以真实模拟人体对药物的反应，得到准确的测试效果，而且还能在很大程度上降低新药的研发成本。
3.2航天和国防领域
航空航天飞行器越来越先进、越来越轻、机动性也越来越好，这对结构件提出了更高的要求：轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化、低成本运行。3D打印在航空领域的应用主要包括以下几个方面。
1)大型整体结构件、承力结构件的加工，可缩短加工周期，降低加工成本。
2)优化结构设计，显著减轻结构重量，节约昂贵的航空材料，降低加工成本。
3)加工复杂形状、具有薄壁特征的功能性部件，突破传统加工技术带来的设计约束。
4)通过激光组合制造技术改造提升传统制造技术，实现复合加工。
3.3 建筑设计领域
3D打印建筑不同于计算机数控加工构件再进行组装，也不同于用机器人代替人工来完成某道工序，利用大型打印设备，采用混凝土等材料逐层堆叠加工生成建筑的方式，就能直接快速成型整体房屋。从原理上来看，打印房屋和打印其他东西并无区别，只不过是尺度变大了，打印所用材料不同而已。Joseph Pegna是第一个尝试使用水泥材料进行建筑构件3D打印的科学家，其方法类似于选择性沉积法：先在底层铺一层薄薄的砂子，然后在上面铺一层水泥，采用蒸汽养护使其快速固化成型。当前应用于建筑领域的3D打印技术主要有三种：D型工艺(D-Shape)、轮廓工艺(Contour Crafting)和混凝土打印(Concrete Printing)。
3.4 制造领域
以汽车制造业为例，3D打印技术得到了广泛的应用。使用原有传统生产工艺开发一款新车型，利用3D打印技术根本不需要制作模具，即使需要，时间也可以缩短到一两个小时，制作零部件几个小时就可以完成[10]。一旦3D打印技术大量使用，汽车传统生产过程中的制作模具的环节可以被完全替代，生产周期和成本有望大幅下降。在新车量产前，如果利用3D打印制作模具就可以节省开发大量模具消耗的时间成本和材料成本。一旦汽车企业实现整车3D打印，那么个性化定制汽车这种小规模的汽车生产就很容易实现。
3.5 食品领域
到目前为止，3D打印技术在食品中的应用也是比较广泛的，可以打印出巧克力、饼干、糖果等，打印出来的食品十分逼真，还可以根据制作者的创新想法创造出各种奇特形状的食品，并且可以根据食用者口感的喜好需求或营养需要进行特别定制。我国人口众多、环境污染日益严重、耕地逐渐减少，未来粮食供应不足问题将更加严重。同时，随着经济的发展和不合理的饮食习惯，有一部分人处于营养过剩状态，导致新陈代谢紊乱，提高了患病风险；另一方面，现在都市生活节奏越来越快，快速成型的健康食品将会受到越来越多上班人士的青睐。
4 3D打印技术发展趋势展望
4.1 3D打印技术发展方向
1)精度更高，速度更快
进入21世纪以来，虽然很少有创新性的技术路线被研发出来并加以应用，但原有的技术路线被不断优化，精度和速度都有了很大程度的提升。例如，目前应用最广泛的基于FDM技术的打印设备，通过对挤出头加热部分的优化设计，挤出头小孔的直径已经从多年前普遍使用的0.5 mm缩小到了0.3 mm甚至0.2 mm，可以挤出更细的料丝，从而呈现更为丰富的细节，打印出的制品的精度有了大幅的提升。速度方面也通过改进送料方式、增加驱动装置的功率等方法，在保证精度的前提下，来达到提升打印速度的目的。按照目前发展趋势，未来通过并联驱动装置，进一步轻量化挤出头等方式，打印精度和速度会有进一步提升。
2)材料选择余地更大
目前用于3D打印方面的材料有300多种，按照大类可以分为树脂，塑料，橡胶，木材，陶瓷，金属，蜡，纸，混凝土等等，但是，性能和传统的制造方式所使用的材料还有所差距，使用受到了很大的限制，也是造成现在3D打印大多用于制作产品原型，而不是直接生产正式产品的原因之一[11]。随着3D打印机的普及，应用范围的扩大，近年来打印材料的种类和性能都有了很大进步，给用户提供了更多的选择，但是面对人们各种需求，与传统行业已有材料相比，仍然显得种类不够，性能不足。未来会有更多种类的材料推向市场，性能更好，价格更低是大的趋势。
3)实用性增强
3D打印不会仅仅停留在产品原型制作的层面，用3D打印直接生产正式产品是未来的趋势，也是3D打印实现爆发性增长的重要条件，用来制作生产正式产品才能创造出更大的收益。材料种类越来越多，性能越来越好，打印工艺不断优化，都增强了3D打印的实际使用价值，虽然现在3D打印技术和传统制造方式在某些方面还存在差距，并且各种技术路线各有优缺点，例如，SLA技术能够实现高精度打印，但是不能打印大型零件；FDM技术虽能够实现较大幅面打印，但是表面质量粗糙。所以短期内，3D打印的实用性会增强，会比以往更多的用来制作正式产品，但是，不会取代传统的制造方法，更多的是与传统方法的互动和补充[12]。
4.2 未来3D打印发展阶段预测
由于技术瓶颈尚待突破，但同时3D打印技术又存在着巨大技术潜力，因此可以判断当前3D打印技术整体上处于发展的初级阶段，即探索、推广、逐步成熟的阶段，其技术瓶颈(如成形效率、制造精度、产品质量及其稳定性、生产及检测标准、工艺及应用规范等)有待取得的进一步突破。突破的途径除了更加深入地开展3D打印技术的基础研究和技术创新，还需要与其它学科和领域的交叉、融合，以及与传统制造技术的结合。
可以将3D打印技术过去及未来可能的发展概括成4个阶段(时间有重叠)，即：
第一阶段(1985年至2000年)快速原型技术阶段：以低强度、低熔点材料的快速成形制造为主，制造只有几何特征，而缺乏材料强度特征的原型零件，主要用于模型制作和产品设计展示中。但这一阶段基本确定了3D打印技术的主要工艺特征；
第二阶段(2000年至2015年)功能零件的快速制造阶段：以金属零件3D打印和生物三维打印(Bio-3DP)为代表，制造具备材料性能特征的功能零件，注重材料的微观组织和微孔结构制备，将3D打印应用领域扩展到了航空航天、医疗器械制造等领域。这一阶段将3D打印技术的巨大潜力逐步展现了出来；
第三阶段(2015年至2025年)多学科交叉的3D打印阶段：结合航空航天、网络经济、土木建筑、艺术装饰、生物制药等多个领域的需求，3D打印技术逐渐向各领域渗透，适合于难加工材料、水泥、陶瓷、石膏、橡胶、以及再生材料等各种材料的3D打印成形技术不断涌现出来，网络化制造及由此带动的基于3D打印的新型商业模式也极大地促进3D打印技术各种应用的发展，各专业领域的3D打印专门技术将成为3D技术新的生长点。这一阶段3D打印技术将在广泛领域开拓应用，以横向扩展的发展模式为主；
第四阶段(2025年至2030年)重型和非均质复合结构的3D打印阶段：随着3D打印基础研究的深入和技术瓶颈的突破，3D打印技术将在更高技术层次上进行发展。3D高效三维打印和高精度、多材料三维打印技术的渐趋成熟。3D打印技术将突破成形效率及尺寸的限制，制造出重达几十吨、甚至上百吨的重型零件，并实现大型结构的现场直接制造；同时，可打印多种材料的高精度非均质3D打印技术也将成熟，将用于直接制造机电复合结构、智能零件、编码自组装零件等，实现人工组织、器官生命体的制造。这一阶段3D打印技术展将实现高此次的技术突破，克服制约发展的技术瓶颈，将制造技术带入新的发展空间。
5 结论
本文详细介绍了国内外3D打印技术的特征、现状及进展，调研国内外3D打印技术的典型应用；分析了3D打印技术的优缺点，并对3D打印技术的发展趋势进行了总结。
3D打印技术作为一种快速成型技术，可以使任何形状的三维固体物品通过数字模型得以快速实现，获得了广泛的关注，具体实现技术也多种多样；在医学、航天与国防、建筑设计、制造、食品等领域取得了较广泛的应用。它对缩短产品生产周期、制造复杂零部件、不受产量限制等方面有一定优势，但在材料、精度、制造速度、力学性能、稳定性、产品尺寸等方面仍有较大限制。未来，克服上述劣势，降低
成本，将是3D打印技术的长期努力的方向。
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作者简介
阳然，女，汉，本科；职称：工程师；研究方向：电气工程；供职单位：清华大学；供职单位所在省市：北京市海淀区；单位邮编：100084。
陈羽飞，女，汉，高级工程师；供职单位：中国电机工程学会 ；供职单位所在省市：北京市西城区白广路北二条；单位邮编：100761。
胡湘燕,男，大学本科学历,高级工程师、注册安全工程师；供职单位：中国电机工程学会。
论文作者:阳然,陈羽飞,胡湘燕
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/10/10
标签：技术论文; 材料论文; 领域论文; 快速论文; 加工论文; 模型论文; 零件论文; 《电力设备》2016年第13期论文;