3D 打印是根據(jù)所設(shè)計(jì)的3D 模型，通過3D 打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù)。3D 打印技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。目前，3D 打印已應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術(shù)創(chuàng)意產(chǎn)品、珠寶制作等領(lǐng)域，3D 打印可 以在很大程度上提升制作的效率和精密程度，可替代這些領(lǐng)域所依賴的傳統(tǒng)精細(xì)加工工藝。

一、3D 打印技術(shù)和材料類型

3D打印技術(shù)作為快速原型制造技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)，正在迅猛發(fā)展，它包括許多既定制造技術(shù)和大量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。目前應(yīng)用較多的3D 打印技術(shù)包括：光固化(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)、分層實(shí)體制造(LOM) 和3D 噴印技術(shù)等[1]。

表 1 3D 打印技術(shù)和材料類型[2]

3D 打印材料是3D 打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，如表1 所示[2]。3D 打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等。除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D 打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

按照材料的物理狀態(tài)分類，3D 打印材料可分為液體材料、粉末材料、絲狀材料、塊狀材料等。按照化學(xué)性能分類，3D 打印材料可分為高分子類材料(如樹脂、石蠟等)、金屬材料(如鋁、鈦合金等)、無機(jī)非金屬材料(如石膏、陶瓷等) 及復(fù)合材料。常用3D 打印材料分類及技術(shù)應(yīng)用分類如表2 所示[2]。

表 2    3D 打印材料分類及應(yīng)用[2]

二、研究現(xiàn)狀

1、國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)3D 打印在技術(shù)和市場(chǎng)方面都領(lǐng)先于世界其他國(guó)家，其中以立體光刻技術(shù)作為其核心技術(shù)的3DSystems 公司和以FDM 技術(shù)為核心技術(shù)的Stratasys公司是領(lǐng)軍者。美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在預(yù)測(cè)和最小化金屬增材制造零部件無效缺陷、表面粗糙度方面的最新進(jìn)展，有可能加快3D 打印技術(shù)的應(yīng)用[3]。美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的一個(gè)研究小組展示了一種名為“旋轉(zhuǎn)3D 打印”的新型3D 打印技術(shù)，其噴嘴的速度和旋轉(zhuǎn)經(jīng)過精確設(shè)計(jì)，能對(duì)聚合物基質(zhì)中嵌入纖維的排列進(jìn)行編程，是生物復(fù)合材料設(shè)計(jì)的一大飛躍。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL) 的材料科學(xué)家正在使用最先進(jìn)的3D 成像原子探針技術(shù)分析原子級(jí)的金屬和陶瓷樣品。這項(xiàng)研究旨在解決下一代防彈衣系統(tǒng)的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以保證士兵安全。南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出了可自修復(fù)的3D 打印橡膠材料，可實(shí)現(xiàn)快速制造，這種材料遭遇破裂或刺穿可以進(jìn)行自我修復(fù)。這種材料將為鞋類、輪胎、軟機(jī)器人甚至電子設(shè)備制造帶來改變契機(jī)，在縮短制造時(shí)間的同時(shí)提高產(chǎn)品的使用壽命。

加拿大的3D 打印發(fā)展走簡(jiǎn)易低廉路線。加拿大復(fù)合材料專家耐森·阿姆斯朗領(lǐng)導(dǎo)的3D 打印技術(shù)項(xiàng)目研究出可用連續(xù)增強(qiáng)纖維材料生產(chǎn)復(fù)合材料零部件。加拿大薩斯喀徹溫省的賴蘭·格雷森發(fā)明了世界上第一臺(tái)售價(jià)100 美元的3D 打印機(jī)—PeachyPrinter。

此外，加拿大的Print Alive Bioprinter 的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了皮膚3D 生物打印，用于為燒傷的受害者打印出新的皮膚。

日本3D 打印發(fā)展方向?yàn)閭€(gè)人化和小型化，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于人與寵物模型打印，希望憑借本國(guó)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和3D 金屬打印機(jī)的研發(fā)來趕超其他國(guó)家。

德國(guó)弗勞恩霍夫模具和成型技術(shù)研究所開發(fā)出一套新的3D 打印系統(tǒng)，能高速、低成本打印塑料零部件，效率是傳統(tǒng)3D 打印技術(shù)的8 倍。該研究所發(fā)布公報(bào)說，這套名為“螺旋擠壓增材制造”的新系統(tǒng)能在18 min 內(nèi)打印出30 cm 高的塑料零部件，并可進(jìn)行批量生產(chǎn)。德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試和研究所(Empa)利用木質(zhì)納米纖維素，通過3D 打印技術(shù)制成移植用 的人造耳朵，可以作為先天性耳廓畸形兒童的移植物[4]。

2013 年4 月，英國(guó)研究人員首次用3D 打印機(jī)打印出胚胎干細(xì)胞，干細(xì)胞鮮活且保有發(fā)展為其他類型細(xì)胞的能力。英國(guó)倫敦Softkill Design 建筑設(shè)計(jì)工作室還首次建立了一個(gè)3D 打印房屋概念。BAE系統(tǒng)公司在2014 年1 月5 日表示，前1 個(gè)月安裝了3D 打印金屬組件的“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)成功地進(jìn)行了飛行測(cè)試。BAE 公司稱， 這駕“ 狂風(fēng)” 戰(zhàn)斗機(jī)裝備了 3D 打印的駕駛艙電臺(tái)防護(hù)罩、起落架防護(hù)罩和進(jìn)氣口支撐柱。2014 年10 月3 日，英國(guó)科學(xué)家為蘇格蘭一名5 歲的殘疾女孩安裝了由3D 打印技術(shù)制作的手掌。

全球3D 打印材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在2010~2016年期間，產(chǎn)業(yè)規(guī)模從2.66 億美元(約16.8 億元人民幣) 增至8 億美元(約50.4 億元人民幣)，年均增長(zhǎng)24.6%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2022 年全球打印材料的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到16 億美元。

2、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，我國(guó)積極探索3D 打印技術(shù)的研發(fā)，自20 世紀(jì)90 年代初以來，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等多所高校積極致力于3D 打印技術(shù)的自主研發(fā)，在3D 打印設(shè)備制造技術(shù)、3D 打印材料技術(shù)、3D 設(shè)計(jì)與成型軟件開發(fā)、3D 打印工業(yè)應(yīng)用研究等方面取得了不錯(cuò)的成果，部分技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平，但總體而言，國(guó)內(nèi)3D 打印技術(shù)的研發(fā)水平與國(guó)外還有較大差距。

我國(guó)3D 打印技術(shù)正處于從起步到快速發(fā)展的過渡階段，許多3D 打印的公司相繼成立，其中一些依托高校成立的公司如北京殷華(依托于清華大學(xué))、陜西恒通智能機(jī)器(依托西安交通大學(xué))、湖北濱湖機(jī)電(依托華中科技大學(xué))，已擁有3D 打印設(shè)備生產(chǎn)和材料加工的能力。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機(jī)械性能要求，有望率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造；生物細(xì)胞3D 打印技術(shù)取得顯著進(jìn)展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國(guó)生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

目前國(guó)內(nèi)有能力研發(fā)生產(chǎn)打印材料的企業(yè)較少，很多打印材料嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，尤其是金屬打印材料有90% 來源于進(jìn)口，造成了3D 打印產(chǎn)品成本較高，影響了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。國(guó)內(nèi)增材制造主要應(yīng)用在航空航天、電子消費(fèi)品、醫(yī)療器械、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域，需要的材料也集中在工程塑料、光敏樹脂和金屬材料等。數(shù)據(jù)顯示， 2012~2016 年國(guó)內(nèi)3D 打印材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模由2.6 億元增長(zhǎng)到21.52億元，平均增長(zhǎng)率為75%，因此，隨著增材制造行業(yè)的快速發(fā)展，3D 打印材料行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模也在快速增長(zhǎng)[5]。

三、應(yīng)用進(jìn)展

1、金屬材料

隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，航空航天、汽車、電工電子等領(lǐng)域?qū)?D 打印技術(shù)的需求促使金屬材料在3D 打印領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，其中鈦合金的應(yīng)用最為廣泛，其次有鋁合金、不銹鋼、高溫合金、鎂合金等。

金屬3D 打印材料產(chǎn)業(yè)在近幾年快速發(fā)展，Ti-6Al-4V 合金、Inconel718(鎳基高溫合金)、Inconel625(鎳基高溫合金) 和316L 不銹鋼等金屬材料的研究比較成熟。瑞典Arcam 公司、Hoganas 公司， 德國(guó)EOS 公司以及英國(guó)的LPW 均已對(duì)3D 打印金屬粉末材料進(jìn)行商品化生產(chǎn)，并處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

(1) 鈦合金。

鈦手表的3D 打印技術(shù)主要是利用激光逐層熔融鈦粉，直至形成最終的形狀。英國(guó)的Metalysis 公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。此外，鈦金屬粉末耗材在3D 打印汽車、航空航天和國(guó)防工業(yè)上都將有很廣闊的應(yīng)用前景。

北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)利用鈦合金打印的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件”是迄今為止3D 打印制作的最大構(gòu)件，已獲得成功應(yīng)用。3D 打印鈦合金材料的生物醫(yī)學(xué)植入物，能夠根據(jù)患者不同的要求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。3D 打印鈦合金支架醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用有：脊柱骨科、關(guān)節(jié)骨科、骨創(chuàng)傷、腫瘤骨科等。另外，3D 打印的鈦合金物件由于密度小、強(qiáng)度高、重量更輕，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器械上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在自行車、網(wǎng)球拍和高爾夫球桿等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

(2) 不銹鋼。

不銹鋼具有耐化學(xué)腐蝕、耐高溫和力學(xué)性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，是最早應(yīng)用于3D 金屬打印的材料。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等的3D 打印材料。

(3) 高溫合金。

鎳基合金是一類發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的高溫合金，在650～1000 ℃ 高溫下有較高的強(qiáng)度和一定的抗氧化腐蝕能力，廣泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等領(lǐng)域。例如，鎳基高溫合金可以用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片與渦輪盤。常用的3D 打印鎳基合金牌號(hào)有Inconel625、Inconel718 及Inconel939 等。

鈷基合金也可作為高溫合金使用，由于鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性，目前多作為醫(yī)用材料使用，用于牙科植入體和骨科植入體的制造。目前常用的3D 打印鈷基合金牌號(hào)有Co 212、Co 452、Co 502 和CoCr28Mo6 等[6]。

2015 年，美國(guó)GE 航天增材中心利用鈷鉻高溫合金材料進(jìn)行3D 打印，生產(chǎn)出T25 傳感器殼體、燃油噴嘴等構(gòu)件，并將其應(yīng)用到空客發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒、動(dòng)力的有效控制。我國(guó)在高溫合金零部件的3D 打印方面，中航邁特等公司也開發(fā)出Nickelalloy IN718(鎳合金)、Si3N4、Mg4Al3 等合金材料，用于航空航天零件、工業(yè)配件 及雕刻品的制造，且具有形態(tài)穩(wěn)定、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

(4) 鋁合金。

鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高等優(yōu)越性能，在制造業(yè)的輕量化需求中得到了大量應(yīng)用。在3D 打印技術(shù)中，它也毫不例外地成為各大制造商所中意的備選材料。3D 打印鋁合金零件組織致密、細(xì)小，力學(xué)性能則堪比鑄件甚至優(yōu)于鑄造成型零件，且相較于傳統(tǒng)工藝零部件其質(zhì)量可減少22%，成本可減少30%。

(5) 金。

3D 打印的產(chǎn)品在時(shí)尚界的影響力越來越大。受益最大的似乎就是世界各地的珠寶設(shè)計(jì)師將3D 打印快速原型技術(shù)作為一種強(qiáng)大且可方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)，除了利用3D 打印設(shè)計(jì)制作金制品外，還有純銀和黃銅制品。

2、高分子材料

一直以來聚合物都是3D 打印的熱門材料，因其強(qiáng)度高、性能好、成本低而被廣泛應(yīng)用，目前最常用的是ABS、PA 和光敏樹脂UV。

熱塑性高分子聚合物以其容易加工的特點(diǎn)發(fā)展最為成熟，多為絲狀的耗材形式，主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(塑料，ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(尼龍， PA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)、聚已內(nèi)酯(PCL) 和光敏樹脂[7]。

3、陶瓷

目前，3D 打印陶瓷技術(shù)主要有噴墨打印技術(shù)(Ink-jet printing, IJP)、熔化沉積成型技術(shù)(Fuseddeposition modeling, FDM)、光固化成型技術(shù)(Stereolithography, SLA)、分層實(shí)體制造技術(shù)(Laminatedobject manufacturing, LOM) 和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(Selective laser sintering, SLS)。

硅酸鋁陶瓷粉末為原料3D 打印的陶瓷制品不透水、耐熱(可達(dá)600 ℃)、可回收、無毒，但其強(qiáng)度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊) 和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。

氧化鋁是市面上最常見的陶瓷原料。氧化鋁陶瓷具備很多優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械強(qiáng)度好、抗彎折、硬度高、耐磨損等。

磷酸三鈣陶瓷材料近年來越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。利用噴墨沉積3D 打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)磷酸三鈣陶瓷支架的打印，并得以應(yīng)用。利用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)的ZrO2 義齒、TCP 陶瓷支架、心臟起搏器泵等，可以有效輔助醫(yī)生開展牙齒、骨組織、動(dòng)脈血管等的治療，幫助患者實(shí)現(xiàn)身體康復(fù)[8]。

4、復(fù)合材料

美國(guó)硅谷Arevo 實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了3D 打印高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的擠出或注塑定型方法，3D 打印時(shí)通過精確控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機(jī)械、電和熱性能，能夠嚴(yán)格設(shè)定其綜合性能。由于3D 打印的復(fù)合材料零件一次只能制造一層，每一層可以實(shí)現(xiàn)任何所需的纖維取向，因此增強(qiáng)聚合物材料打印的復(fù)雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學(xué)性能。Arevo 使用該材料有望打印“更輕、更強(qiáng)、更持久”的航空航天、國(guó)防和醫(yī)療應(yīng)用的零部件產(chǎn)品[9]。

5、仿生3D 打印材料

生物材料的3D 打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)生物支架打印、細(xì)胞打印，還可以打印出活的細(xì)胞，以及聚合物藥物生長(zhǎng)因子，實(shí)現(xiàn)特定位置的3D 打印技術(shù)。現(xiàn)今比較前沿的3D 打印技術(shù)可以打印出生物組織和器官。通過選取合適的生物材料、活細(xì)胞等，可以直接在體外模擬真實(shí)形態(tài)的器官及血管網(wǎng)絡(luò)并打印用于組織工程。基于3D 打印高度集成化的特點(diǎn)，可以 用于制備人造電子皮膚、肌肉乃至仿生機(jī)器人。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

基于3D 打印這一新型的技術(shù)方法，有望實(shí)現(xiàn)快速大規(guī)模制備石墨烯基功能復(fù)合材料、生物醫(yī)療材料，制造高性能電子元件、柔性儲(chǔ)能器件、智能傳感器件等。3D 打印在催化和吸附領(lǐng)域、凝汽器冷卻管的應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

1、生物醫(yī)療領(lǐng)域

打印材料是制約3D 打印發(fā)展的主要因素之一，目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D 打印材料主要包括工程塑料、金屬、陶瓷、光敏樹脂以及高分子凝膠等。生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括生物醫(yī)用支架材料的打印、人造組織器官的打印、組織器官模型制造、藥物制作與篩查等[10]。

隨著時(shí)間的發(fā)展，針對(duì)3D 打印生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用，人們對(duì)3D 打印技術(shù)的研究逐漸增多，主要方向有：(1) 體外醫(yī)療器械和醫(yī)療模型制造；(2) 永久化、個(gè)性化的組織工程植入；(3) 制作人體器官模型等，應(yīng)用前景極為廣泛。

體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等。根據(jù)美國(guó)組織AmputeeCoalition 的統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)約有200 萬人使用3D 打印假肢[10]。

細(xì)胞3D 打印技術(shù)是目前生物3D 打印技術(shù)的最前沿技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)器官打印的最大潛在技術(shù)。例如，全球首枚“生物墨水”3D 打印人類眼角膜問世。

更高端一點(diǎn)的應(yīng)用，如還可打印完全不成熟的細(xì)胞。Organovo 公司宣稱用3D 打印機(jī)完整打印一個(gè)有正常生命機(jī)能的肝臟，為肝臟移植患者提供幫助。

2、智能制造

張海鷗團(tuán)隊(duì)研制的“智能微鑄鍛”技術(shù)，是將鑄造、鍛造、銑削三個(gè)典型的成形過程合在一起，即增材、等材、減材一體化的智能制造技術(shù)。基板上面是焊槍，熔化送入槍下面的金屬絲，在熔化的金屬還沒有冷卻時(shí)，趁熱打鐵對(duì)其進(jìn)行連續(xù)的鍛打。

通過此技術(shù)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了鑄鍛一體化3D 打印，打印出高性能金屬鍛件[11]。這一技術(shù)的創(chuàng)新性在于改變國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)制造鑄鍛分離的歷史，實(shí)現(xiàn)鑄鍛合一，邊熔邊鍛，突破3D 打印不能打印鍛件的瓶頸；同時(shí)也顛覆了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝流程和裝備，有望變革傳統(tǒng)重工業(yè)制造方式，大幅度提高效率，降低成本，提升我國(guó)國(guó)防和民用制造技術(shù) 水平。

3、食品領(lǐng)域

2011 年7 月，英國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出世界上第一臺(tái)3D 巧克力打印機(jī)。這意味著3D 打印技術(shù)可以在不久的將來改變?nèi)藗冎谱魇称返膫鹘y(tǒng)方式。食品3D 打印在高品質(zhì)、低容量食品制造方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于食品的定制服務(wù)。將3D 打印技術(shù)引入營(yíng)養(yǎng)健康食品加工領(lǐng)域，采用多品種的原料混合復(fù)配，使蛋白、脂肪、碳水化合物、維生素、礦 物質(zhì)及其他功能因子等營(yíng)養(yǎng)素成分按照需求比例加以平衡，在滿足原料3D 加工適宜性的前提下，打印成為營(yíng)養(yǎng)均衡、美味可口、外觀優(yōu)美、方便食用的新型食品，實(shí)現(xiàn)對(duì)團(tuán)體人群或個(gè)性化精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)的配餐供應(yīng)，應(yīng)用前景十分廣闊[12]。

4、航空航天領(lǐng)域

近年來，3D 打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的航空航天領(lǐng)域，尤其是在大尺寸零件一體化制造、異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造、變批量定制結(jié)構(gòu)件的制造等方面顯示出巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2016 年，美國(guó)五角大樓公布了一段關(guān)于蜂群無人機(jī)的視頻資料。這種3D 打印微型無人機(jī)既可以由F-16 和FA/18 戰(zhàn)機(jī)發(fā)射，也可以由地面投擲或像彈弓一樣的裝置發(fā)射升空。同 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 對(duì)3D 打印出的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵進(jìn)行了測(cè)試， 3D 打印方法允許NASA 在制造渦輪泵時(shí)少使用約45% 的組件，使快速設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試兩種不同設(shè)計(jì)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵成為可能，3D 打印是NASA 包括火星探測(cè)在內(nèi)的未來太空探索的核心所在，會(huì)進(jìn)一步提高NASA執(zhí)行未來太空探索任務(wù)的能力。

泰雷茲阿萊尼亞宇航公司(Thales Alenia Space)和法國(guó)3D 打印服務(wù)公司Poly-Shape SAS 采用3D 打印制造的天線支架，已于2017 年3 月隨通信衛(wèi)星Koreasat-7 發(fā)射升空，這是歐洲采用基于粉末床的金屬激光熔融技術(shù)制造并送入太空軌道的最大體積零件。其尺寸為447 mm×204.5 mm×391 mm，質(zhì)量卻只有1.13 kg，可以稱得上是真正的輕量化部件。

英國(guó)Rolle-Royce 公司采用3D 打印技術(shù)制造出TrentXWB-97 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金前軸承機(jī)匣，該機(jī)匣尺寸為1500 mm×500 mm，含有48 個(gè)翼面，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最大的3D 打印部件，采用3D 打印工藝可節(jié)省30% 的制造時(shí)間。Rolle-Royce 公司已經(jīng)對(duì)若干個(gè)裝有該大型部件的TrentXWB-97 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了地面測(cè)試，并進(jìn)行了試飛。還將在近三年采用3D 打印方法修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司上海航天技術(shù)研究院研發(fā)出一種配備雙波長(zhǎng)激光器(長(zhǎng)波的光纖激光器和短波的二氧化碳激光器) 的航天激光金屬3D 打印機(jī)，可打印不銹鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等，并成功打印出衛(wèi)星星載設(shè)備的光學(xué)鏡片支架。

中國(guó)航天科工三院306 所技術(shù)人員成功突破TA15 和Ti2AINb 異種鈦合金材料梯度過度復(fù)合技術(shù)，其采用激光3D 打印試制出的具有大溫度梯度一體化鈦合金結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道實(shí)驗(yàn)件順利通過了力熱聯(lián)合實(shí)驗(yàn)[13]。

5、海軍艦艇

海上艦艇的日常維護(hù)中必不可免的要更換小型零件，在備戰(zhàn)期間由于海上地理?xiàng)l件的限制，必要零件難以及時(shí)送達(dá)，利用3D 打印技術(shù)快速制造艦艇零件，可以提升執(zhí)行任務(wù)速度并降低成本。美國(guó)海軍設(shè)想使用3D 打印來快速制造必要零部件，如何使用3D 技術(shù)加快這一轉(zhuǎn)化過程是一個(gè)重要方向[14]。

6、核電領(lǐng)域

目前在核電領(lǐng)域，3D 打印主要應(yīng)用在以下方面：原型制造，產(chǎn)品快速研發(fā)迭代領(lǐng)域；復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體化成型制造；核電廠用備品備件替換；核電部件表面改性、修復(fù)/功能屏蔽材料制造。

7、模具領(lǐng)域

快速模具制造是將3D 打印運(yùn)用到模具制造上的新方法，目前該方法已在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用，并具有良好的使用前景。主要有兩大類：一類是通過選擇激光燒結(jié)/熔融(SLS/ SLM) 等技術(shù)直接成形模具；一類是快速成形原型，通過金屬噴涂等手段成形鑄模的方法[15]。

3D 打印適于小批量、形狀相同、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)，而模具就具備這樣的產(chǎn)品特性，通過實(shí)物和虛擬制造有機(jī)結(jié)合，可以提高模具設(shè)計(jì)水平，縮短生產(chǎn)周期，提高精準(zhǔn)度，減少瑕疵品數(shù)量，其特殊材料也可延長(zhǎng)模具使用壽命。

8、汽車制造業(yè)

在國(guó)外，3D 打印技術(shù)在汽車零部件的研發(fā)和制造方面獲得了廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括汽車儀表盤、裝飾件、水箱、油管、車燈配件、進(jìn)氣管路等零件。奧迪、寶馬、奔馳、通用、大眾、豐田、保時(shí)捷等汽車企業(yè)都在研發(fā)使用3D 打印技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)包括長(zhǎng)安福特、奇瑞汽車、神龍汽車、東風(fēng)汽車公司、廣西玉柴機(jī)器有限公司等在內(nèi)的汽車企業(yè)

及其零部件供應(yīng)企業(yè)，在缸體、缸蓋、變速器齒輪等零部件的研發(fā)和生產(chǎn)過程中也已經(jīng)開始采用3D 打印技術(shù)。

隨著世界上第一輛純3D 打印的混合動(dòng)力車—Urbee 以及世界上第一輛3D 打印賽車—Arion 的問世，3D 打印技術(shù)在汽車制造業(yè)越來越占據(jù)著舉足輕重的地位。3D 打印技術(shù)除了能大大提高生產(chǎn)效率以外，還能使汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能、外觀造型、內(nèi)飾設(shè)計(jì)等方面產(chǎn)生質(zhì)的飛躍[16]。

硅谷公司AREVO 已與精品自行車制造商FrancoBicles 達(dá)成合作，為Ebikes Franco 的新產(chǎn)品線提供世界上第一款由3D 打印、連續(xù)碳纖維的一體式車架。Franco 將以Emery 品牌進(jìn)行銷售。2019 年4 月11—14 日，該公司在加利福尼亞州蒙特利舉行的海獺經(jīng)典自行車活動(dòng)上展示這款Emery ONE Ebike。

9、土木建筑領(lǐng)域

隨著3D 打印技術(shù)的日臻完善，人們不再只局限于小型物品，開始嘗試體積大的實(shí)體打印。2014年，在上海制造出第一批3D 打印房屋，打印原材料主要包括高標(biāo)號(hào)水泥、建筑垃圾和玻璃纖維等。“百變”3D 打印房屋和首座3D 打印混凝土自行車橋問世。

在建筑業(yè)里，工程師和設(shè)計(jì)師能夠使用3D 打印設(shè)備制造建筑模型。這樣快速、成本低、環(huán)保，同時(shí)制作精美，能夠完全符合設(shè)計(jì)者的要求，同時(shí)也能節(jié)省大量的材料。

3D 打印在景觀設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，新型的3D 打印技術(shù)不僅在建筑領(lǐng)域扮演著重要角色，也逐漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的景觀設(shè)計(jì)建造中[17]。

10、軌道交通領(lǐng)域

目前，結(jié)合3D 打印技術(shù)本身的發(fā)展現(xiàn)狀和軌道交通裝備的現(xiàn)實(shí)需求，各裝備制造企業(yè)已開始孵化應(yīng)用方式多元化、服務(wù)模式多方位的發(fā)展格局，但基于技術(shù)本身的深入研究尚在探索之中。未來，隨著原材料種類、設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化、檢測(cè)驗(yàn)證體系的進(jìn)一步發(fā)展，3D 打印技術(shù)將會(huì)發(fā)展成為軌道交通裝備設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造過程中的主要載體之一，來有效補(bǔ)充傳統(tǒng)鑄造、焊接、鍛壓技術(shù)的發(fā)展瓶頸，實(shí)現(xiàn)軌道交通輕量化、綠色化、智能化的遠(yuǎn)景目標(biāo)[18]。

11、功能性紡織品領(lǐng)域

可將3D 打印材料置于紡織品內(nèi)部或外部，賦予紡織品新的功能特性。3D 結(jié)構(gòu)可黏附在紡織品表面，通過相應(yīng)功能材料的添加，使紡織品具備期望的物理化學(xué)特性。2016 年，以色列Nano Dimension公司與一家歐洲的功能性紡織品公司合作，嘗試在織物上打印導(dǎo)線，成功獲得了具備導(dǎo)電功能的織物。英國(guó)Tamicare 公司開發(fā)出一個(gè)制造系統(tǒng)Cosyflex，

用于生產(chǎn)3D 打印智能紡織品，其可將傳感器和導(dǎo)線與織物同時(shí)進(jìn)行打印，制造出一系列導(dǎo)電紡織品[19]。

12、激光3D 打印玻璃應(yīng)用

有關(guān)激光3D 打印玻璃的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但可以預(yù)見，將來的應(yīng)用前景十分廣泛，除了可打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì)度高的精美玻璃制品之外，還可用于打印微流控芯片、光學(xué)衍射器件、透鏡等精密光學(xué)元器件。

13、考古文物領(lǐng)域

3D 打印技術(shù)在考古文物領(lǐng)域主要用于修復(fù)已經(jīng)破損的古文物。在應(yīng)用3D 打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)時(shí)，需要使用3D 掃描儀掃描破損文物，完成數(shù)據(jù)采集，并處理數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的模型之后進(jìn)行打印。

14、教育行業(yè)

3D 打印技術(shù)也為教育的發(fā)展開啟一個(gè)新的方向，許多教育機(jī)構(gòu)和組織正探索如何將3D 技術(shù)應(yīng)用到教育、教學(xué)中。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不僅可以體會(huì)到新技術(shù)帶來的便利性，而且還可以提高他們的創(chuàng)新性和促進(jìn)他們學(xué)習(xí)的積極性[20]。

五、結(jié)束語

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，伴隨著打印材料日益豐富和日趨便宜，將會(huì)在各行各業(yè)引起廣泛應(yīng)用，預(yù)示著工業(yè)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的革命，許多產(chǎn)品部件將不再按傳統(tǒng)的方式被沖壓或澆鑄出來；建筑設(shè)計(jì)上也將不再是紙面上的圖型原版，而是全方位立體的實(shí)際呈現(xiàn)，將虛擬與現(xiàn)實(shí)緊密結(jié)合起來；在醫(yī)用上，假牙、膝蓋骨、股骨頭的制作等等。

3D 打印技術(shù)的發(fā)展對(duì)打印材料提出了更高的要求，3D 打印材料勢(shì)必向著力學(xué)性能更好、加工性能更高、功能多樣化的方向發(fā)展。我國(guó)的3D 打印裝備技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平差距較小，但在3D 打印材料方面差距較大。

參考文獻(xiàn)

[1]毛旭艷. 3D打印生物材料的研究進(jìn)展. 濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2016，29(1)：64

[2]張陽春, 張志清. 3D打印技術(shù)的發(fā)展與在醫(yī)療器械中的應(yīng)用. 中國(guó)醫(yī)療器械信息, 2015(8)：1

[3]趙高升, 劉秀軍, 張志明, 等. 金屬零件3D打印技術(shù)研究進(jìn)展. 化工新型材料, 2018，46(8)：42

[4]納米纖維素用于3D打印人造耳等醫(yī)用材料. 紡織檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn),2019(1): 47

[5]溫斯涵, 李丹. 3D打印材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及建議. 新材料產(chǎn)業(yè),2019(2)：2

[6]陳雙, 吳甲民, 史玉升. 3D打印材料及其應(yīng)用概述. 物理, 2018，47(11)：715

[7] 陳志茹, 夏承東, 李龍, 等. 3D打印材料. 金屬世界, 2018(5)：15

[8] 王維. 3D打印材料發(fā)展現(xiàn)狀研究. 新材料產(chǎn)業(yè), 2019(2)：7

[9] 余冬梅, 方奧, 張建斌. 3D打印材料. 金屬世界, 2014(5)：6

[10]王婧, 倉(cāng)懷興. 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印技術(shù)的發(fā)展及展望. 生命科學(xué)儀器, 2018，16(4)：14

[11] 高茜. 3D打印: 以數(shù)字創(chuàng)意打印未來. 科技創(chuàng)新與品牌, 2018(2)：56

[12]劉倩楠, 張春江, 張良, 等. 食品3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2018，34(16)：265

[13]曹津銘. 淺析3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2018(6)：134

[14]羅雨絲, 武澤孟. 3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其展望. 電子測(cè)試,2019(10)：111

[15]譚麗斌, 余心宏. 3D打印技術(shù)在金屬成形領(lǐng)域的應(yīng)用和展望. 精密成形工程, 2015，7(6)：58

[16]康劉陽, 徐飛寧, 朱燦一, 等. 淺談3D打印與4D打印技術(shù). 裝備制造技術(shù), 2016(5)：101

[17] 田潔. 3D打印在景觀設(shè)計(jì)中的運(yùn)用. 建材與裝飾, 2018(46)：107

[18]諸葛陽, 管珂珂, 逢鋒. 3D打印技術(shù)在功能性紡織品中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì). 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2018，36(12)：5

[19]袁慧羚, 文雅珊, 曾希. 3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景. 南方農(nóng)機(jī), 2015(7)：38

作者簡(jiǎn)介：張文毓(1968—)，女，高級(jí)工程師，主要從事情報(bào)研究工作。通信地址：471023 河南省洛陽市洛龍區(qū)濱河南路169 號(hào)725 所，河南省洛陽市023 信箱5分箱，E-mail：ZWY68218@163.com。