3D打印技术应用简介

王元桢

（内蒙古巴彦淖尔市临河一中，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

3D打印技术是不同于传统加工技术的新技术。传统加工技术的主要思路是减材加工，而3D打印技术与之相反，其主要思路是增材加工。这个重要的技术最初起源于19世纪末的美国，但是由于技术限制一直没有大的发展，直到上世纪80年代开始才得到大幅度的推广和应用。3D打印技术传入我国后，也受到广大科研工作者的高度重视，在一些领域也取得了不小的成就。3D打印这种新技术具有多种优点，例如节能节材，制造周期短，不受零件复杂程度限制，有效弥补传统制造技术的不足，对民生和科研各个领域的发展都起到了推动作用。本文将结合3D打印技术的优势，介绍其在建筑，航空航天，医药领域的应用现状，并且分析3D打印技术存在的问题，指出未来3D打印技术的发展方向。

1 3D打印技术应用现状

1.1 建筑领域

3D打印技术增材制造颠覆了传统制造理念，为建筑工程师们带来了新思路，在建筑领域取得了不小的成就。3D打印技术的优势包括以下两个方面。

（1）消化建筑垃圾。传统的建筑施工中需要用到很多材料，如水泥，沙子，钢筋，混凝土等等，在建筑完成后会产生很多的建筑垃圾，且增速惊人。需采取有效方法变废为宝，减少对环境的影响。3D打印技术可以有效缓解这一难题，它可以将建筑垃圾作为原料，就地取材，进行处理加工后利用，能够极大地消化建筑垃圾，解决当前的问题。

（2）缩短工期。采用3D打印技术建造房屋，建筑工序一体化集成，不需要数量庞大的建筑工人，也不需要使用模板，提高了生产效率，缩短了工期。2014年间，一套1100平方米的别墅与1栋6层居民楼通过3D打印技术直接打印出来，整个过程是采用建筑垃圾作为打印“油墨”，通过超大型打印机直接层层叠加而成。3D打印建筑效率十分高，10幢小屋通过3D打印只需要一天的时间就可以完成。

1.2 航空航天领域

航空航天器件的质量好坏以及制作精细程度直接影响未来的使用情况和人员的生命安全，其制造要求极为严苛。航空航天器件自身构造和制造工序的复杂，给传统制造工艺带来了很大的困难。3D打印技术可以有效地克服传统工艺的弊端，简化生产工序并有效降低成本。

（1）简化生产工序。传统减材制造方式需要利用刀具或磨具从大块原材料中切割出小块元件，过程繁琐。3D打印技术却是从小到大，不再使用刀具和磨具，能够大幅度简化生产工序。当前，西北大学的黄卫东团队能够直接制造金属零件从而对航空发动机叶片进行再造修复。北京航空航天大学王华明教授成功开发出飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，并已制造出世界上最大的钛合金非机主承力构件。

（2）有效降低成本。航空航天器件上的有些零件很复杂，难以锻造，3D打印技术跳过了传统制造技术中锻造和铸造的过程，也弥补了铸造中模具费昂贵的缺点。3D打印技术能够如此大幅度的节省钱财和物力，未来在航空航天领域的前景十分可观。

1.3 医药领域

3D打印技术自身所具备的精准度高，能够减小制造复杂度的特点使它在医疗领域也得到关注，并在医疗模型制造、药物生产等方面掀起了一场革命。

（1）制造器官模型。3D打印技术在医学方面的直接应用是精确地打印各种病人的器官或组织模型。这样既可以避免盲目分析，帮助医生提升对病人病情的把握，又可以在手术前预先熟悉手术的操作步骤，更精确地确定病灶部位，提前确定手术的规划，减小手术中突发性问题的风险率，以确保后期手术的成功。3D打印技术可以很好地帮助医生预先解决手术规划和手术操作方面的问题，这让它在医药领域备受青睐，目前已在外科，口腔科，新生儿科得到应用。

（2）打印活体器官。3D打印技术的另一应用便是直接打印患者所需的活体器官或组织，例如人的耳朵，肝脏单元，颅骨，脊柱，下颌骨等。近日，印度一家生物科技公司就开发出一个使用3D打印技术制作的活体肝脏组织。3D打印技术打印的活体组织还被用于新药测试，能够大大缩短新药研发周期，节省研发费用。

（3）打印药物。由于3D打印技术精细度高，它也被应用到药物生产。美国的Aprecia Pharmaceuticals公司开发出了3D打印的Spritam（化学名称为左乙拉西坦，治疗癫痫的药物）。3D打印在药物上的应用为医药学家开拓了新的制药思路。

2 3D打印技术目前的问题

虽然3D打印技术发展迅猛，但是目前仍不完善，存在不少的问题，在建筑领域存在的问题主要体现在以下三个方面。

（1）3D打印机器价格昂贵。目前3D打印机市场价格最贵大约为80～90万/台，况且3D打印技术是增材制造，需要自下而上逐层打印。所以，如果打印的建筑高度越高所需要的3D打印机就要越大，这无疑又添加了一笔不小的成本，成为阻碍3D打印技术的一大因素。

（2）原材料性能不足。3D打印技术的原材料主要是建筑垃圾，其粘聚性，流动性和打印建筑的性能等方面还是与传统材料有一定的差距。

（3）人们对3D打印技术的了解程度和信任问题。对于3D打印房的安全性、抗震性等性能的检验我国还没有已经成形或完善的相关标准，而且这些问题都不容忽视。消费者对3D打印技术认识不足，对3D打印建筑的质量有所怀疑。所以，人们现在对3D打印建筑是观望的态度，仅仅停留在参观和好奇的阶段。

3D打印技术在航空航天领域的问题主要集中在以下两个方面：一是工艺质量不高。3D打印技术中的剧烈的加热和冷却过程给产品带来了不稳定的因素。产品中往往会出现孔洞、裂纹等瑕疵。3D打印产品的长期使用稳定性难以得到保证，这为其在航空航天领域的大范围推广带来了困难。二是软件能力不足。3D打印技术需要强大的软件规划制造路径，特别是对于航空航天领域所需要的复杂、精密的器件，更需要合理的制造布局。当前3D打印软件只能进行简单的设计，不能根据特定的结构及工艺要求生成合理的路径策略。

3D打印技术在医药领域的问题主要集中以下两个方面：一是打印材料种类。生物支架与培养组织的相容程度决定了后期组织细胞的成活率。目前3D打印材质种类较少，主要是常见的金属，陶瓷，石膏，树脂，塑料等。这造成了3D打印技术应用受到了限制。二是产品精度不足。生物支架要求产品精度达到近乎苛刻的条件，但是现在的3D打印精度及成型精度仍然较低，是其在医药领域应用的最大的瓶颈。

3 结语

目前，3D打印技术发展并不完善，仍有更大的提升空间，但它在缩短制造周期，节省生产成本，降低制造难度，保护生态环境等方面的积极作用不容忽视。3D打印技术在未来会大大改变我们的日常生活。虽然现阶段仍存在一系列问题，但发现问题才能更好地解决问题，3D打印技术的发展前景广阔。