李文竹 张勇（通讯作者） 李策 通化师范学院物理学院

引言

3D 打印技术以数字化模型为基础来构建实体，利用粉末状金属、塑料或尼龙等可粘合材料，通过逐层打印累加的方式来任意构造物体的新兴技术。近些年来，美国、德国等国家掀起了3D 打印的狂潮，随着21 世纪社会的迅猛发展，3D 打印技术已经逐步走向成熟，各项技术逐渐被完善。目前，3D 打印技术正在改变着很多人的生产生活方式，在医学、考古、文物、建筑与制造、航天航空等方面都发挥了至关重要的作用。医生通过3D 打印技术制作病毒、细胞、骨骼和器官等模型。

3D 打印的出现，催生了众多新颖的设计理念，推动了社会许多新型开发技术产业的发展。伴随着社会日新月异的发展，3D 打印技术终将改变着人们的生活方式以及产品的生产方式，进一步改变着国家乃至世界的经济发展方式和格局。

1 3D 打印技术的原理

3D 打印的运行过程：

(1）建立三维模型

确定三维模型的软件不是唯一的，建立三维模型可以使用CATIA、AutoCAD、SkethUP 等三维建模软件，也可以使用Z Crop或者3D Cemega 等3D 扫描设备来获取对象的三维数据，经过一系列的数据处理，以数字化的方式生成所需的三维模型。

(2）分层切割

3D 打印机并不能直接将物体通过3D 打印的方式打印出来，而是要通过打印机专门配置的软件来进一步处理，通过三维数字模型，将模型分为一个个的二维图形，一个个二维图形就成了一层层的薄片，每个薄片的厚度由打印机的规格和喷涂材料的属性决定。

(3）创造三维模型

三维模型的实现方式是根据不同的原理，引发不同的生产方式。第一种方法是利用3D 打印机将需要打印的材料和特制材料的胶水按照先前所提供二维图形信息，通过层层叠加在一起形成最终的三维模型；第二种方法是通过使用高能激光融化合金材料，再一层层地熔结形成三维模型。

(4）后期处理加工

每个模型在打印完成之后表面都会有变得粗糙或者产生残留、出现毛刺的现象，这都需要对模型进行再加工，比如修整、打磨、固化处理等。

2 3D 打印技术的发展现状

2.1 3D 打印在生物医学方面的发展

在医学领域，3D 打印能够制作人体器官的替换品。3D 打印技术可以打印出人体的骨骼，也就是我们常说的人造骨骼，这种骨骼不仅可以代替原本的骨骼让肌肉生长，还能修复之前骨骼细胞的损伤，待原本的骨骼生长完全之后，它还可以在身体里面自然地和肌肉溶解在一起，不会给人体造成压力，也不会产生副作用。2013 年，世界上首例使用3D 打印制作骨骼的人造下颚成功地替换了受损骨骼，病人成功得到了救治。

2.2 3D 打印技术在航空航天领域的发展

在航天航空方面，有许多先进的零件需要加工，而我们现有的技术还不足以加工很复杂的零件，因此，3D 打印技术就能弥补传统工业上的缺陷，制造精密熔模铸造的原型。在中国突破了超高强度钢、钛合金等难加工的大型复杂重要部件的关键技术，在其他国家，3D 打印技术能够给波音公司制造出几百种复杂的零部件。2013 年，美国一研究人员利用3D 打印技术，使用高功率激光束将细金属粉末进行熔化并融合成3D 打印发动机喷射器，并测试成功，此次测试的成功解决了喷射器制作工作量大、制作时间长、成本高等传统工业遇到的问题。

3 3D 打印技术的发展浅析

3.1 3D 打印技术的优点

近年来，3D 打印发展的愈加迅速，这项技术广泛应用于各个行业，其颠覆了传统的生产模式和供应格局，这无疑促使了现代化的生产技术取得显著性进步。不需要传统的工具，直接呈现出来的是三维立体物体，可以自动地将计算机中的三维设计转化为实际模型，甚至直接转化为无需加工的零部件，从而有效的缩短了产品的研发与制造周期，高效地利用新型材料，帮助3D 打印技术更好更快发展。

3.2 3D 打印技术的缺点及解决办法

3D 打印作为一种现代新兴技术在给我们带来便利的同时，多方面也存在着一些不足需要去探索纠正。就3D 打印的应用范围来说，虽然应用的方面很广，但仍然有许多不发达地区了解不到3D 打印的具体功能和作用，这项技术并不能遍及我国的大部分地区，3D 打印很难在短时间内遍布各地，得不到良好的发展。

其次，在技术方面：常见的熔融沉积技术精度较差，速度较慢；立体光固化技术耗材成本较高，强度较低，材料强度和耐久度较低；在环保和能耗方面，目前市场上普遍使用的3D 打印机需要连续工作28 小时才能打印出一个大小约30 厘米的不规则立体塑料模型，在激光烧结金属时，需要将材料预热到熔化点，才能使用激光再一层层地扫描，造成了大量的不必要的能源消耗，而被消耗的材料无法进行回收，浪费了许多材料。

总的来说，3D 打印出现问题的根本原因大多数是发生在打印材料本身上的，这就需要研究者进一步对打印技术的材料进行全面的研究。

针对我们目前对3D 打印材料出现的问题，需要从以下几个方面来解决：

(1）对现有的可以进行3D 打印材料的性能加深了解，从而剖析其真正的实用性。例如材料的密度、强度、耐腐蚀性、熔点和物理性能等。由于3D 打印技术应用的范围较广，模型不同，工艺要求就不同，材料就不同，各取所需。

(2）继续开发新型材料，比如许多优质的合金材料、复合材料、纳米材料、梯度材料等，让越来越多的材料都可以实现3D 打印。材料的性质对3D 打印技术的发展起着无庸置疑的关键作用。为使得3D 打印技术能够更加环保节能的发展，还可以充分发挥利用新能源的优势，将3D 打印技术与太阳能能源相结合，实现3D 打印技术和太阳能能源之间的相互利用。

(3）给3D 打印制定专业的行业性标准。标准是技术发展创新和产业化的桥梁和纽带。国家工信部在2015 年2 月联合发改委及财政部发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016 年）》，明确指出我国3D 打印技术的发展目标及方向，主要核心技术还有待突破，许多器件、工艺，设备等产业基础薄弱，标准体系有待完善。

4 总结

3D 打印是一种快速生成技术，对不少领域的发展都起了举足轻重的作用。本文对3D 打印技术的原理过程进行了介绍，还对3D 打印技术在三个领域发展的现状进行了阐述，比较详细地在几个方面分析了其优势和不足，并指出关于3D 打印技术问题解决的关键是3D 打印材料的不完善。总之，喜忧参半，3D 打印技术在现有的基础上，还需权衡利弊，继续努力。虽然现有的技术不能完全推动3D打印技术良好发展，3D 打印也面临着很多困难，但我们要相信，随着社会的飞快进步，很多问题都会迎刃而解的。