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周理想+陈晓康+武山
摘 要：为了能够更好地促进信息的存储、交流及传播，3D打印技术正在不断发展、革新，并且逐渐被人们所熟知。由于该技术具有将个体的设计迅速转变为实物的特点，因此3D打印已经被应用到多个领域中，成就了人们的动手能力和创造能力相结合的愿景，提高了社会生产力之余，也影响着人们的生活方式。文章以3D打印机的发展、原理、分类等方面为基础，提供了有关3D打印在部分领域中的阶段成果和新发展。其目的在于使读者掌握有关3D打印技术的基本知识，培养对3D打印技术的学习兴趣。
关键词：3D打印；科技；技术应用
中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0028-02
1 3D打印机的发展历程
打印机是随着个人计算机的普及而出现的一种办公自动化产品，它为信息的存储及传播提供了更加快捷方便的形式。发展至今，主要经历了“针式打印机”、“喷墨打印机”、“激光打印机”、“热升华打印机”、“热转印打印机”等几个重要阶段。但这些都是二维平面上的语言文字或图像的外化。随着人类的生产、生活等各方面需求不断加大，人们不断探索着更为先进的打印技术。
3D打印技术由美国人查尔斯·赫尔在上个世纪八十年代发明。他首次使用光固化的方式制作出了第一个实物；1986年，该技术获得了专利，赫尔在加州成立了3DSystems公司，这是全球首家3D打印公司[1]。1988年，赫尔博士将他的光固化3D打印机正式推向市场，3D打印的概念也逐渐被外界了解。
3D打印技术又称添加式制造或直接数字化制造。与传统工业制造相比，它不像传统制造机器那样通过纯手工或模具来制造产品，它是利用叠层制造技术来制作产品。其基本打印流程大致分为以下几步：首先利用CAD等电脑软件建好物品的三维模型，或者直接利用3D扫描仪得到物品的三维数据生成三维模型，接着将做好的模型翻译成STL文件，然后将翻译好的文件导入到CAM系统中进行切片处理。再根据所使用的材料和该模型的打印指令建造原型。成型后还需打磨成品，使表面变得更光滑。
目前，随着科学技术的不断更新，从技术层面和使用的材料来看，3D打印主要有以下几种分类。熔融沉积成型技术（FDM），一般使用热塑性塑料，如聚乳酸和ABS树脂；直接金属激光烧结（DMLS），该技术几乎可以以任何金属为原材料；电子束融化（EBM），主要以钛合金为原材料；选择性激光烧结（SLS），主要以金属粉末和陶瓷粉末为制作原材料；选择性热烧结（SHS），该技术以热塑性粉末为主；粉末层和喷头3D打印机（3DP），原材料为石膏；分层实体制造（LOM），以金属箔和塑料薄膜来制作产品；立体光刻（SLA），也称光固化技术，其采用光致聚合的液体树脂作为材料；数字光处理（DLP），其原理与DLP投影机的技术相同，制造过程与立体光刻（SLA）技术类似[1]。
2 3D打印机的应用前景
3D打印凭借其操作性强，方便实用，节约资源等优势，弥补了传统制造工艺的不足，随着其原材料和打印技术的不断革新，其应用已经不仅局限于医疗科技、航空航天等高科技领域，在日常生活、学校教学等多个领域已经能够逐步看到3D打印的身影。从飞机卫星的精密零件等尖端科技到日常生活中微不足道的哨子，可能都需要用到3D打印技术。3D打印渗透到各行各业着实给人们的生活带来了巨大的便利。
2.1 医学领域
骨创伤是骨质发生病变的一种疾病。将3D生物打印技术运用到骨创伤领域，可大大提高手术成功率[2]。在心脑血管研究与应用方面，3D打印可以协助医疗人员快速了解病人病情[3]。
目前，3D打印在生物医学方面的应用还处在初级阶段，主要应用还是在牙齿、假肢等功能相对简单的器官，一些功能相对复杂的器官如肾脏、心脏等还处在研究阶段。如今，器官短缺成为一个亟待解决的难题，而器官移植的费用又非常昂贵。利用3D打印可以根据具体病情来为患者打印器官，治疗他们的疾病。相信随着科技的进步，3D打印在人造器官等医疗方面能够起到越来越不可忽视的作用。
2.2 航空航天领域
与传统制造业的大规模、低精度相比，3D打印技术更适合应用于对零部件要求比较高的领域，如航空航天领域。2015年，我国成功研制出首台航天多激光金属3D打印机[4]，用于卫星或飞机等精密零件的制造。经过测试，这些3D打印的零件性能满足要求。2016年，中科院成功研制中国首台空间3D打印机，并且完成了抛物线失重飞行试验[5]。美国也致力于将3D打印运用到无人机和飞行器的产品升级中[6]。
作为衡量本国综合国力的标准之一，各国都在航空航天领域积极探索和发展。将3D打印机送上太空，可用作打印维修工具等用途，这样可减少飞船的承重，降低运输成本；对宇航员来说，用3D打印来打印一些难以维修的精密零件，也可降低维修飞船的难度。
2.3 生活领域
传统制造业可以大批量地生产任何人们想要的产品。但这些看起来千篇一律的产品无法满足人们的个性化需求。食品方面，3D食物打印机原理和其他打印机类似，最主要的是原材料的种类不同[7]。西班牙的一家公司推出全球首款3D食物打印机，这款食物打印机可以“打印”出甜品、汉堡等。2015年在美国举行的消费电子展上，打印机公司3D Systems和好时食品公司推出了3D巧克力打印机，它可以将巧克力碎片制作成任意精美的造型。儿童成长方面，相关科研人员推出了适合在儿童群体中寓教于乐的3D打印机，用于打印一些动物、玩偶等[8]。
3D打印食品材料简易、制作简单，可根据用户要求进行定制，具有个性化；对于一些特殊群体，如老年人牙齿不健全，不能吃坚硬的东西，利用3D打印可将原材料的比例進行调配，将原本坚硬的成品制作成口感稍软的，有利于老年人的吞咽。
2.4 教育教学领域endprint
传统的课堂教学模式很难引起学生对所学事物的直观上的认识，特别是一些工科学科。另一方面，学生的想象力强、创造力强，3D打印可以将他们脑海中新奇的想法直接转换为三维世界中的实物。因此，将3D打印用于改进这类课程的教学方法显得尤为重要。
国内外已经开始研究如何把3D打印运用在教育领域，来培养具有基础理论扎实，动手能力强的学生。英国教育部在2012年开展了课程教学创新活动，为一些学校提供了普及3D打印知识的技術人才。美国开展了MENTOR项目计划，目的是在本土普及3D打印技术。在学校用于课堂演示，加强学生对所学事物的具体了解，提高他们的学习兴趣[9]。2014年，浙江省向省内部分中小学校捐赠3D打印机。同时将与部分学校合作建立3D打印教育基地，建立3D打印课堂。旨在推广省内中小学生对前沿技术的了解，同时激发他们的创新意识。
3 结束语
文章结合3D打印机的发展历程及基本原理，叙述了其在医学领域、航空航天领域、生活领域和教育教学领域的阶段成果。将3D打印运用到各行各业，将有利于成本的降低和提高材料的使用率。诚然我们看到3D打印有着传统制造业不可替代的优点，但是目前这种技术处于初级发展阶段，仍然有着一些技术不足，如需要打印的模型建立有难度，容易出现模型和打印成品不一致的情况，另外打印机的材料之昂贵也是一个不容忽视的问题。但3D打印体现出的快捷性、个性化等优点，将会伴随其打印技术的不断进步和原材料的不断革新，会被应用于更多领域中去，给人类带来更多的便利。
参考文献：
[1]张桂兰.解密3D打印[J].印刷技术，2013（19）：42-45.
[2]刘广涛，马会力，齐岩，等.3D生物打印技术在骨创伤中的应用进展[J].医学综述，2017，23（7）：1291-1295.
[3]赵靖，王笛，刘继全，等.3D打印技术在医学领域应用的现状及问题[J].中国现代医学杂志，2017，27（12）.
[4]新华.我国首台航天3D打印机研制成功[J].军民两用技术与产品，2015（1）：32-32.
[5]英佳.我国研制成功首台空间3D打印机[J].金属加工（冷加工）冷加工，2016（12）：11-11.
[6]刘华，吕先志.美国南加州航空航天产业发展现状和趋势[J].全球科技经济 望，2016，31（12）：67-71.
[7]林伟鹏，孙永，林国鸿.3D食物打印机简述[J].通讯世界，2017（9）.
[8]黄立中，杜宇，罗佳龙，等.基于儿童体验的3D打印机产品设计[J].中国新技术新产品，2017（9）：146-148.
[9]张萍，闫宇，李苗，等.3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨[J].山西建筑，2016，42（15）：229-230.endprint
