3D打印技术推动先进制造业的发展

[摘 要]对3D打印技术的概念进行了介绍，对3D打印技术在航空航天、生物医药、建筑等领域的国内外发展状况进行了分析，指出高精尖技术领域的需求与3D打印技术的发展是相辅相成的。

[关键词]3D打印，航空航天，生物医药，建筑

中图分类号：F204 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0271-01

0引言

3D打印技术又称增材制造技术（Additive Manufacturing，AM），是指依据计算机三维模型数据，采用与减式制造技术相反的逐层叠加方式，利用金属、塑料或其它材料逐层打印来制作物体的过程，也被称作叠加成型技术或快速原型技术。3D打印技术自1984年问世以来便广受关注，经过30多年的发展，如今已成为推动世界先进制造业发展的源动力之一，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。掌握和应用最新最前沿的科学技术，推动生产力的发展，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。目前，发达国家正在飞速发展3D打印技术，美国、日本和德国占据了3D打印市场的主导，尤其是美国占据了全球近40%的比重。我国的3D打印技术起步较晚，然而，近年来其在国内的应用市场日趋升温，据前瞻产业研究院统计，2012年中国3D打印市场规模约为10亿元人民币，到2013年达到了20亿，预计到2016年将达到100亿，从而超越美国成为全球最大的3D打印市场。

3D打印技术引发了制造业新一轮的技术变革，已在航空航天、医疗、建筑等等多个领域取得了迅猛的发展，为尖端技术研究提供了关键的技术支撑。

1 航空航天领域

航空航天尖端领域是3D打印技术的重要应用领域之一。美国麻省理工Technology Review中指出，高性能金属材料3D打印技术的突破是3D打印领域的重要里程碑，它将成为航空结构轻量化、高效低成本化的革命性途径。美国增材制造路线图将航空航天列为推动3D打印发展的第一工业目标行业，美国国家增材制造创新联盟2014年资助的15个项目中60%与航空航天直接相关；欧盟Horizon 2020 计划给增材制造带来发展新机遇；英国政府2014年资助考文垂大学6000万英镑，建设开发航空部件的国家增材制造中心；德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；瑞士的洛桑理工学院以及加拿大国家研究委员会均成立了增材制造研究中心；西班牙也启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；我国在《国家增材制造发展推进计划》（2015～2016 年）中提出到2016 年在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平的发展目标。

在众多研究计划支持下，航空航天用3D打印金属构件取得了重要进展。美国AeroMet公司于2000年9 月完成了激光快速成形钛合金机翼结构件，并于2001年为波音公司制造了次承力钛合金结构件；2013年，美国普惠-洛克达因公司采用SLM技术制造了J-2X火箭发动机的排气孔盖，另外，美国军方已经利用3D 技术成功试制出导弹弹出式点火器模型，并取得良好效果。我国从2000 年开始钛合金等高性能大型关键金属构件激光增材制造技术研究，一直受到政府主要科技管理部门的高度重视，北京航空航天大学王华明教授团队的研究结果表明，激光打印的钛合金零件的抗疲劳性能比锻件高32%～53%，疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级，该团队制造的某战机钛合金主承力构件加强框投影面积达5.02m2，通过了装机评审，使我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家，该成果获得了2012年度“国家技术发明奖一等奖”。

2 生物医学领域

随着生物制造概念的提出和发展，3D打印技术在医学领域的应用也越来越广泛，主要涉及以下五个方面。

第一个应用方面是快速构建医学模型以利于术前模拟，提高手术成功率，美国儿童医院曾利用3D打印技术打印出了患者的心脏模型。

第二个应用方面是利用3D打印的优势来调节材料的密度，通过改变孔隙率和微孔大小，制造适应细胞生长的活性骨骼。Jiankang等人利用3D打印技术，制造出了钛合金半膝关节和多孔生物陶瓷人工骨骼，组装后得到了临床表现良好的复合半膝关节假体；国内的清华大学、西安交大和上海交通大学的研究团队在这方面取得了最具代表性的成果，成果制造出了具有生物活性的人工骨骼。

第三个应用方面是制造生物器官。美国南卡罗来纳医药大学采用3D打印技术成功打印出了三维肾脏血管；Mannoor等人[13]打印出的仿生耳能实现听觉；清华大学成功制造出了具有自然特性和生物活性的组织器官；西安交通大学采用天然基质生物材料成功研发了打印立体肝组织的仿生设计和制造技术。

第四个应用方面是个性化控制细胞分布，精确打印牙齿生物支架。美国Stratasys公司和德国Envisiontec公司的都生产出了专门用于牙科应用的3D 打印机；华中科技大学自主研发、制造出了可摘除的钛合金义齿支架；北京大学口腔医学院成功研制出了人牙髓细胞共混物，并成功进行了打印实验。

第五个方面是3D精准扫描建立3D数据模型实现整形美容。美国康奈尔大学的研究人员利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植；美国北卡罗来纳州维克森林大学再生医学研究所成功研发出能打印出皮肤的系统，并进行了实验验证；英国口腔外科医生Andrew Dawood利用3D打印技术成功恢复了肿瘤患者的说话和吞咽能力以及面部特征；我国上海大学附属人民医院利用 3DP工艺，打印头颅三维模型及缺损的下颌骨模型，成功为23位患者进行了修复下颌角截骨整形术。

3 建筑领域

3D打印技术在建筑领域的应用目前主要包括两方面：一是在建筑设计阶段制作建筑模型；二是在工程施工阶段利用3D打印技术建造实际建筑结构。

在建筑设计阶段，设计师可以使用3D打印机将计算机中的设计三维模型直接打印为建筑模型，这种方法具有快速、环保、低成本等优点，可以用于制作精美的建筑模型。目前3D SYSTEM公司能以石膏粉为原料打印彩色建筑模型。

在工程施工阶段，3D打印技术用于快速打印建筑结构目前正处于研发阶段，取得了一定的研究成果。当前应用的3D打印技术主要有D型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。D型工艺由意大利发明家恩里克・迪尼发明，通过打印机底部的喷嘴，喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层黏合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物；建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置铁管进行加固。“轮廓工艺”是由美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克・霍什内维斯提出的，轮廓工艺的材料（混凝土）由喷嘴根据设计图在指定地点中挤出后，由喷嘴两侧的刮刀进行外型修整，凝固后可形成建筑结构外墙。混凝土打印由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，使用喷嘴挤压出混凝土通过层叠法建造构件。

4 结论

许多高尖精技术领域的需求推动了3D打印技术的研发和应用，3D打印技术的进一步发展也促进了这些领域里先进制造业的发展。进一步发展3D打印技术，解决现存的技术难题，实现打印产品规模化生产是3D打印技术推动先进制造技术发展的根本所在。

参考文献

[1] F2792-12a. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies[S]. ASTM ，

2012.

[2] 封会娟， 闫旭， 唐彦峰，等. 3D打印技术综述[J]. 数字技术与应用， 2014（9）：202-203.

[3]. 中国科学院国家科学图书馆， 科学研究动态监测快报[R]， 先进制造与新材料科技专辑，2014.2.1.