揭秘3D打印技术——当制造业迈向智造业

文怡

近年来，中国军事科技突飞猛进，以先进战机为代表的各种尖端武器歼-15、歼-16、歼-20、歼-31等的密集亮相，让世界看花了眼。近日，在全国两会上，全国政协委员、歼-15总设计师孙聪透露了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3D打印技术。这项被英国《经济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从F-35、F-22等先进武器“烧”到每个人的日常用品，3D打印机一时间成为了令人瞩目的明星。

3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。3D打印是科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一。

据报道，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机，它不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来3D打印机的应用将会更加广泛。

在此之前，3D打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市面上买不到的零部件。

人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。不过物以稀为贵，一套3D打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。

科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。

发展过程

3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。它的原理是：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品，可以即时使用。

现阶段三维打印机被用来制造样品。2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大，价格也开始下降。该技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。

3D打印机的工作原理就像使用打印机打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织，很有可能将有一天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如果生物打印机能够使用病人自身的干细胞，那么器官移植后的排异反应将会减少。人们也可以打印食品，比如康奈尔大学的科学家们已经成功打印出了杯形蛋糕。几乎所有人都相信，食品界的杀手级应用将是能够打印巧克力的机器。

打印特点

3D打印技术对于生产者来说，可大幅降低生产成本，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品。

3D打印机既不需要用纸，也不需要用墨，而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间，且可以“打印”造型复杂的产品。因此许多专家认为，这种技术代表制造业发展新趋势。

工作步骤

3D打印机工作步骤是这样的：先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

应用领域

3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司认为，3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。

医疗行业。一位83岁的老人由于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。

据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。

科学研究。美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。

产品原型。比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好地改良产品，打造出更出色的产品。

文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

建筑设计。在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

制造业。制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。

食品产业。没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

汽车制造业。不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。

配件、饰品。这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现。

美容护肤。3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现的。不仅青春痘,包括祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术的。

未来趋势

好莱坞大作《十二生肖》电影，相信成龙迷们对该部影片也不陌生，但该部影片中有项非常流行技术不知各位是否有留意，《十二生肖》中成龙佩戴了专业扫描手套来扫描剧中十二生肖铜像，另外一边通过专业设备将所扫描的铜像完美打印，看似很科幻不切实际，其实，影片中出现的专业设备就是目前流行的3D打印技术。对于目前技术高速发展的时代来说，已经有国产品牌推出万元内3D打印机产品，并且还在京城首家3D打印机体验馆中进行了展示。

打印机是款一直被定义于办公用户的产品，但3D打印机并不属于办公用品，而是一款生活中常会使用到的家电产品，为什么说3D打印机是款家电产品呢？首先，如果生活中安装某设备，突然发现少掉一颗螺丝，正常情况下可能会去五金店里配，但有了3D打印机之后，就完全可以在家中打印一个相符的螺丝，用户无须出门就会解决困扰。另外，用户也可通过3D打印机制作DIY产品，比如在网络上看见非常别致的装饰品，就可通过3D打印机将其打印出来，当然生活中会使用到3D打印机的机会当然不止这些。

最新产品

3D打印机作为快速成形技术，它能根据计算机里的3D模型，用粉末状金属或塑料等可粘合材料进行多层叠加，在较短的时间内"打印"出3D实物。与传统制造技术相比，3D打印能节省大量时间和人力。可以说，人们所想象出的任何形状，都能通过它变成现实，从而实现"个性化制造"。

纳米级别微型3D打印机

这台Photonic Professional GT 3D打印机，能制作纳米级别的微型结构，以最高的分辨率，快速的打印宽度，打印出不超过人类头发直径的三维物体。

家用3D打印机

另外，3D Systems公司还在CES2013展会上推出了一款Cubify系列家用3D打印机，与第一代产品相比，第二代Cube有许多改进，其中包括打印速度是原来的1.5倍，既可以使用ABS，也可以使用可回收的PLA塑料。第二代Cube保持了第一代产品的许多特性，例如方便加载的粉盒(交回旧粉盒可获得折扣)、触控屏控制和WiFi连接。

超级链接

中国首台激光3D打印机

湖南华曙高科技有限责任公司是成立于2009年的一家高新技术企业。2012年8月15日，由该公司研制的国内首台激光3D打印机在长沙下线并出口美国。公司负责人介绍，只要通过电脑输入设计产品的3D数据，该装备就能运用激光添加层烧结技术，“打印”出设计者想要得到的任何形状复杂零部件。与模具制造等传统工艺相比，“激光3D打印机”制造的同类产品可减重65%、节材90%。

最大的3D打印机

在武汉东湖高新区，华中科技大学史玉升科研团队经过十多年努力，实现重大突破，研发出全球最大的“3d打印机”。

这一“3D打印机”可加工零件长宽最大尺寸均达到1.2米。从理论上说，只要长宽尺寸小于1.2米的零件（高度无需限制），都可通过这部机器“打印”出来。

华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升说，“3D打印机”是通俗叫法，这一设备的学术名称为基于粉末床的激光烧结快速制造装备。

其原理为：将零件的3D图形通过计算机平切为若干个平面，从最底层平面开始，铺上一层该零件的材料粉末（如金属、陶瓷、塑料、砂等），按每一层形状通过激光高温烧结后，再铺上一层粉末，层层累加，像植物生长般“长成”。

据介绍，由于这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷，一些复杂铸件的生产由传统的3个月缩短到10天左右。

同时，对研发出的新产品，可快速根据图纸做出样品，大大缩短研发周期。

如今，该设备被国内外200多家用户购买使用，每台价格从几十万元到200多万元不等。

2012年，全球正争相发展这一制造新技术，已在建筑设计、医疗辅助、动漫模型等领域应用。

专家表示，最大“3D打印机”的问世，意味着我国在全球这一领域已抢占有利先机。