让科幻变成现实

电影《十二生肖》中，成龙让我们体验到了3D打印的神奇。只用了大约三分钟，就让我们情不自禁地大为惊叹——他戴上电子手套扫描兽首，电脑上便出现了兽首的3D图像，下一刻，3D打印机便直接“打印”出一个一模一样的“兽首”来……谁能想到，这个具有颠覆性的技术早已存在，而不是电影的杜撰！

什么是3D打印技术

3D打印在近两年走进公众视线，被看作是一项神奇有趣的新技术。实际上，它在工业领域和医学领域，早就不是一个陌生的概念。在四川大学，就有一门专教3D打印技术的课程，已经开设了10年。其实，在专业领域它有另一个名称：“快速成形技术”。

快速成形技术又称快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM）技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效低成本的实现手段。简言之，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

3D打印的原理

3D打印机的工作原理，与普通打印机工作原理相似：首先，它将每一层的打印过程分为两步，在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样，在一层胶水一层粉末的交替重叠作用下，实体模型将会被“打印”成型。打印完毕后只要扫除松散的粉末即可，而剩余粉末还可循环利用。

打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末。当然，胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印，而且可以利用有色胶水实现彩色打印。

当然，整个过程是在电脑的控制下，由3D打印机系统自动完成的。不同公司制造的3D打印机所用的成型材料不同，其系统的工作原理也有所区别，但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造、逐层叠加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。

3D打印机的制作过程可通过一个例子加以描述：假设我们制作一个塑料材质的苹果，首先，我们需要在电脑上使用3D软件制作出一个苹果的3D模型文件，然后把它转换成3D打印机支持的文件格式。接下来需要给3D打印机放入塑料耗材，这样，3D打印机就可以制作塑料苹果了。这个过程与平面打印机的操作相似。

打印系统在制作的时候会从这个苹果3D模型底部开始切成很多片。最先开始制作的是苹果模型最底部的截面，也就是苹果最底部的一层，这时候系统会控制激光器（或喷嘴）在这一层截面图的范围烧结原料（或挤出原料），这一层做好后是第二层，依此类推。于是，塑料苹果就一层层地“打印”出来了。

3D打印的技术优点

制造快速，无须模具

3D打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机便可以打印出你需要的小物品。比如你想要一个茶杯喝水，就可以现场打印出一个茶杯，并马上用来盛水。

它最突出的优点是无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件。它是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。

CAD/CAM技术的集成

设计制造一体化本来是工业制造业的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段还无法与CAD、CAM完全无缝对接，这也是制约制造业信息化的难点之一，而快速成型技术集成了CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使设计制造一体化的概念完美实现。

完全再现三维效果

经过快速成型制造完成的零部件，完全真实地再现了三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确地完成造型，基本上不需要再借助外部设备进行修复。

材料种类繁多

到目前为止，各类3D打印机设备所使用的材料种类有很多，如树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末等，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。

应用行业领域广

3D打印技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系。同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等都逐渐开始使用3D打印技术，可见3D打印技术有着广阔的前景。

3D打印的应用领域

3D打印的应用领域之广超乎人们的想象。理论上说，几乎只要存在的东西都可以通过3D打印机复制出来。目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰制作等领域得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面：

医学领域

近几年来，人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。在外科手术中，3D打印技术可为需要器官移植的患者“量身打造”所需器官，无须担心排异反应。而打印一个人体心脏瓣膜，只需要价值10美元的高分子材料。

文物保护

博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害。同时，3D打印技术也在文物修复中开始起到重要作用。

建筑设计领域

建筑模型的传统制作方式，渐渐无法满足高端设计项目的要求。现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，3D打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。在建筑行业里，工程师和设计师们已经逐渐开始使用3D打印机打印建筑模型。这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

产品设计领域

在新产品造型设计过程中应用3D打印技术，为工业产品设计开发人员创造了一种崭新的产品开发模式。运用3D打印技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

机械制造领域

由于3D打印技术自身的特点，使其在机械制造领域内获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技术直接进行成型，成本低，周期短。

模具制造领域

像玩具制作等传统的模具制造领域，往往模具生产时间长，成本高。将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。

航天技术领域

在航空航天领域，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即航天飞机）所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高，又具有流线型特性，采用3D打印技术，根据CAD模型，由3D打印设备自动完成实体模型，则能很好地保证模型质量。

3D打印技术可应用的领域非常广泛，我们有理由相信，随着3D打印技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。