3D打印材料的研究與應(yīng)用

3D 打印是根據(jù)所設(shè)計的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)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學與化學等諸多領(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)和大量的實驗技術(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、國外研究現(xiàn)狀

美國3D 打印在技術(shù)和市場方面都領(lǐng)先于世界其他國家，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。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的研究團隊在預(yù)測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展，有可能加快3D 打印技術(shù)的應(yīng)用[3]。美國哈佛大學工程與應(yīng)用科學學院的一個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，能對聚合物基質(zhì)中嵌入纖維的排列進行編程，是生物復(fù)合材料設(shè)計的一大飛躍。美國陸軍研究實驗室(ARL) 的材料科學家正在使用最先進的3D 成像原子探針技術(shù)分析原子級的金屬和陶瓷樣品。這項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。南加州大學維特比工程學院的研究人員開發(fā)出了可自修復(fù)的3D 打印橡膠材料，可實現(xiàn)快速制造，這種材料遭遇破裂或刺穿可以進行自我修復(fù)。這種材料將為鞋類、輪胎、軟機器人甚至電子設(shè)備制造帶來改變契機，在縮短制造時間的同時提高產(chǎn)品的使用壽命。

加拿大的3D 打印發(fā)展走簡易低廉路線。加拿大復(fù)合材料專家耐森·阿姆斯朗領(lǐng)導的3D 打印技術(shù)項目研究出可用連續(xù)增強纖維材料生產(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)明了世界上第一臺售價100 美元的3D 打印機—PeachyPrinter。

此外，加拿大的Print Alive Bioprinter 的團隊開發(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)展方向為個人化和小型化，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于人與寵物模型打印，希望憑借本國技術(shù)優(yōu)勢和3D 金屬打印機的研發(fā)來趕超其他國家。

德國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，并可進行批量生產(chǎn)。德國聯(lián)邦材料測試和研究所(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，英國研究人員首次用3D 打印機打印出胚胎干細胞，干細胞鮮活且保有發(fā)展為其他類型細胞的能力。英國倫敦Softkill Design 建筑設(shè)計工作室還首次建立了一個3D 打印房屋概念。BAE系統(tǒng)公司在2014 年1 月5 日表示，前1 個月安裝了3D 打印金屬組件的“狂風”戰(zhàn)斗機成功地進行了飛行測試。BAE 公司稱， 這駕“ 狂風” 戰(zhàn)斗機裝備了 3D 打印的駕駛艙電臺防護罩、起落架防護罩和進氣口支撐柱。2014 年10 月3 日，英國科學家為蘇格蘭一名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24.6%。據(jù)預(yù)測，到2022 年全球打印材料的市場規(guī)模將達到16 億美元。

2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，我國積極探索3D 打印技術(shù)的研發(fā)，自20 世紀90 年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、中國科技大學、北京航天航空大學、西北工業(yè)大學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的成果，部分技術(shù)已經(jīng)處于世界先進水平，但總體而言，國內(nèi)3D 打印技術(shù)的研發(fā)水平與國外還有較大差距。

我國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)、陜西恒通智能機器(依托西安交通大學)、湖北濱湖機電(依托華中科技大學)，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械性能要求，有望率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D 打印技術(shù)取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫(yī)學領(lǐng)域尖端科學研究提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

目前國內(nèi)有能力研發(fā)生產(chǎn)打印材料的企業(yè)較少，很多打印材料嚴重依賴于進口，尤其是金屬打印材料有90% 來源于進口，造成了3D 打印產(chǎn)品成本較高，影響了其產(chǎn)業(yè)化進程。國內(nèi)增材制造主要應(yīng)用在航空航天、電子消費品、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 年國內(nèi)3D 打印材料產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模由2.6 億元增長到21.52億元，平均增長率為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)的市場規(guī)模也在快速增長[5]。

三、應(yīng)用進展

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EOS 公司以及英國的LPW 均已對3D 打印金屬粉末材料進行商品化生產(chǎn)，并處于國際領(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。

北京航空航天大學王華明團隊利用鈦合金打印的“飛機鈦合金大型復(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)學植入物，能夠根據(jù)患者不同的要求進行個性化設(shè)計。3D 打印鈦合金支架醫(yī)學臨床應(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、強度高、重量更輕，應(yīng)用于運動器械上有著獨特的優(yōu)勢，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。

不銹鋼具有耐化學腐蝕、耐高溫和力學性能良好等特性，由于其粉末成型性好、制備工藝簡單且成本低廉，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)動機的渦輪葉片與渦輪盤。常用的3D 打印鎳基合金牌號有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 打印鈷基合金牌號有Co 212、Co 452、Co 502 和CoCr28Mo6 等[6]。

2015 年，美國GE 航天增材中心利用鈷鉻高溫合金材料進行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)動機制造中，實現(xiàn)對飛機發(fā)動機燃料燃燒、動力的有效控制。我國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、強度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點。

(4) 鋁合金。

鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強度高等優(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、細小，力學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)計師將3D 打印快速原型技術(shù)作為一種強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600 ℃)、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊) 和燭臺、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，如機械強度好、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、動脈血管等的治療，幫助患者實現(xiàn)身體康復(fù)[8]。

4、復(fù)合材料

美國硅谷Arevo 實驗室實現(xiàn)了3D 打印高強度碳纖維增強復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的擠出或注塑定型方法，3D 打印時通過精確控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機械、電和熱性能，能夠嚴格設(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，每一層可以實現(xiàn)任何所需的纖維取向，因此增強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性能。Arevo 使用該材料有望打印“更輕、更強、更持久”的航空航天、國防和醫(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)，可以實現(xiàn)生物支架打印、細胞打印，還可以打印出活的細胞，以及聚合物藥物生長因子，實現(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、活細胞等，可以直接在體外模擬真實形態(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，可以 用于制備人造電子皮膚、肌肉乃至仿生機器人。

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]。

隨著時間的發(fā)展，針對3D 打印生物醫(yī)學研究領(lǐng)域應(yīng)用，人們對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)美國組織AmputeeCoalition 的統(tǒng)計，目前美國約有200 萬人使用3D 打印假肢[10]。

細胞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。

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

2、智能制造

張海鷗團隊研制的“智能微鑄鍛”技術(shù)，是將鑄造、鍛造、銑削三個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，趁熱打鐵對其進行連續(xù)的鍛打。

通過此技術(shù)在世界上首次實現(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)新性在于改變國內(nèi)外傳統(tǒng)制造鑄鍛分離的歷史，實現(xiàn)鑄鍛合一，邊熔邊鍛，突破3D 打印不能打印鍛件的瓶頸；同時也顛覆了國內(nèi)外傳統(tǒng)機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，提升我國國防和民用制造技術(shù) 水平。

3、食品領(lǐng)域

2011 年7 月，英國研發(fā)團隊研制出世界上第一臺3D 巧克力打印機。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，尤其對于食品的定制服務(wù)。將3D 打印技術(shù)引入營養(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，打印成為營養(yǎng)均衡、美味可口、外觀優(yōu)美、方便食用的新型食品，實現(xiàn)對團體人群或個性化精準營養(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爭優(yōu)勢。2016 年，美國五角大樓公布了一段關(guān)于蜂群無人機的視頻資料。這種3D 打印微型無人機既可以由F-16 和FA/18 戰(zhàn)機發(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，美國國家航空航天局(NASA) 對3D 打印出的火箭發(fā)動機渦輪泵進行了測試， 3D 打印方法允許NASA 在制造渦輪泵時少使用約45% 的組件，使快速設(shè)計、制造和測試兩種不同設(shè)計的火箭發(fā)動機渦輪泵成為可能，3D 打印是NASA 包括火星探測在內(nèi)的未來太空探索的核心所在，會進一步提高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Rolle-Royce 公司采用3D 打印技術(shù)制造出TrentXWB-97 航空發(fā)動機用鈦合金前軸承機匣，該機匣尺寸為1500 mm×500 mm，含有48 個翼面，是目前航空發(fā)動機上最大的3D 打印部件，采用3D 打印工藝可節(jié)省30% 的制造時間。Rolle-Royce 公司已經(jīng)對若干個裝有該大型部件的TrentXWB-97 發(fā)動機進行了地面測試，并進行了試飛。還將在近三年采用3D 打印方法修復(fù)發(fā)動機部件。

中國航天科技集團公司上海航天技術(shù)研究院研發(fā)出一種配備雙波長激光器(長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，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)備的光學鏡片支架。

中國航天科工三院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)進氣道實驗件順利通過了力熱聯(lián)合實驗[13]。

5、海軍艦艇

海上艦艇的日常維護中必不可免的要更換小型零件，在備戰(zhàn)期間由于海上地理條件的限制，必要零件難以及時送達，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，通過實物和虛擬制造有機結(jié)合，可以提高模具設(shè)計水平，縮短生產(chǎn)周期，提高精準度，減少瑕疵品數(shù)量，其特殊材料也可延長模具使用壽命。

8、汽車制造業(yè)

在國外，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、進氣管路等零件。奧迪、寶馬、奔馳、通用、大眾、豐田、保時捷等汽車企業(yè)都在研發(fā)使用3D 打印技術(shù)。目前，國內(nèi)包括長安福特、奇瑞汽車、神龍汽車、東風汽車公司、廣西玉柴機器有限公司等在內(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)動機性能、外觀造型、內(nèi)飾設(shè)計等方面產(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號水泥、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，同時制作精美，能夠完全符合設(shè)計者的要求，同時也能節(jié)省大量的材料。

3D 打印在景觀設(shè)計中的運用，新型的3D 打印技術(shù)不僅在建筑領(lǐng)域扮演著重要角色，也逐漸走進現(xiàn)實的景觀設(shè)計建造中[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)計拓撲優(yōu)化、檢測驗證體系的進一步發(fā)展，3D 打印技術(shù)將會發(fā)展成為軌道交通裝備設(shè)計、開發(fā)、制造過程中的主要載體之一，來有效補充傳統(tǒng)鑄造、焊接、鍛壓技術(shù)的發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)軌道交通輕量化、綠色化、智能化的遠景目標[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線，成功獲得了具備導電功能的織物。英國Tamicare 公司開發(fā)出一個制造系統(tǒng)Cosyflex，

用于生產(chǎn)3D 打印智能紡織品，其可將傳感器和導線與織物同時進行打印，制造出一系列導電紡織品[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、精細度高的精美玻璃制品之外，還可用于打印微流控芯片、光學衍射器件、透鏡等精密光學元器件。

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)進行文物修復(fù)時，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)展開啟一個新的方向，許多教育機構(gòu)和組織正探索如何將3D 技術(shù)應(yīng)用到教育、教學中。學生在學習的過程中不僅可以體會到新技術(shù)帶來的便利性，而且還可以提高他們的創(chuàng)新性和促進他們學習的積極性[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，將會在各行各業(yè)引起廣泛應(yīng)用，預(yù)示著工業(yè)上會產(chǎn)生一個新的革命，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)計上也將不再是紙面上的圖型原版，而是全方位立體的實際呈現(xiàn)，將虛擬與現(xiàn)實緊密結(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)展對打印材料提出了更高的要求，3D 打印材料勢必向著力學性能更好、加工性能更高、功能多樣化的方向發(fā)展。我國的3D 打印裝備技術(shù)水平與國際先進水平差距較小，但在3D 打印材料方面差距較大。

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