201421190205 郭波- 3D打印技术最新进展综述

1、3D打印技术最新进展摘要：介绍了3D打印技术的现状和发展，重点介绍了3D打印技术在医疗和航空等领域的最新进展。关键词：3D打印；应用进展Abstract：The paper describes the current situation and development of 3D printing technology, focusing on the latest developments in 3D printing technology in the medical and aerospace fields.Key words:3D printin；application arogres

2、s3D 打印起源于 20 世纪 80 年代美国军方的快速成形技术，与传统成形技术有着本质差别。对多数人而言，3D 打印还是一个新生事物，但它的出现使传统制造业发生了颠覆性变革，已成为引领未来全球制造业发展的新趋势。1 3D打印及其实现方式3D 打印是依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术，又称为“快速成型”技术或“增材制造”技术，主要通过电脑创建的三维设计图对材料进行分层“打印”叠加，最终整体成形。3D 打印实现方式主要有立体光刻成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结成型等。（1）立体光刻成型（Stereolithography）。先由软件把3D 数字模型“切”成若干个平面

3、，形成多个剖面 ；再由紫外线激光经一个周围有液体槽（槽里面充满可以被紫外线照射固化的液体）并可以举升的平台从模型的剖面底层开始进行照射固化 ；底层固化后，平台下移，开始固化下一层 ；如此往复，直到最终成型。（2）熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。材料经高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出许多很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后会立即固化，固化的颗粒在立体空间进行排列组合最终形成实物。（3）选择性激光烧结成型（Selective Laser Sintering，SLS）。将 3D 模型薄片化后放置在充满待烧结的材料粉末的容器内 ；再采用大功率的二氧化碳激光从最

4、底层的 3D 切片开始进行烧结 ；接着平台下移，材料辊在已烧结部分上再铺上薄薄的一层材料粉末进行烧结 ；如此往复，直到整体成型。2 3D打印机的发展历程1984 年，查尔斯 赫尔研制了 3D 打印技术并于1986 年获得专利，将其命名为立体光刻技术，成立了 3D Systems 公司。1987 年，DTM 公司开发了 SLS 技术，并进行了商业化应用。1988 年，克伦普研发了 FDM 技术，翌年成立了 Stratasys 公司。1991 年，Helisys 公司售出了第一台分层实体制造（LOM）系统。1992 年，Stratasys 公司售出了首批基于 FDM 的“三维建模”机器。1993

5、年，麻省理工学院获得了“三维打印技术”专利，该技术类似于二维打印机中使用的喷墨印刷技术。1995 年，麻省理工学院研发了粉末层和喷头 3D 打印（3DP）技术。1996 年，3D Systems 公司推出“Actua 2100”快速成型机 ；同年 Z Corporation 推出“Z402”并首次冠以“3D 打印机”的称谓。2005 年，Z Corporation 推出市场上第一台高精度彩色 3D打印机“SpectrumZ510”。2006 年，RepRap 开放源码项目启动，旨在开发能进行自我复制的 3D 打印机。2008年，Objet Geometries 公司推出有史以来第一个能够同时使

6、用几种不同材料的 3D 打印机“Connex500”快速成型系统。Object Geomatries 公司于 2007 年发布了olyjet 矩阵技术。其技术原理是喷射超薄层的光固化物，最薄层只有 16 m，并且其喷射材料有多种。3 3D打印在医学领域的应用进展（1）制作下颚骨。采用 3D 打印技术，世界上首次成了完全使用定制植入物代替整个下颚的制作过程。与统制作方法相比，3D 打印耗费的材料更少，生产时间更短，往往只需数小时便可以制出一只下颌骨。为了避免排斥反应的发生，科研人员在制作完成的下颌骨上涂上了生物陶瓷涂层。技术人员可根据移植患者的具体需求来设计骨骼部件的效果图，然后利用高精度镭射枪

7、来熔解钛粉，并将他们一层层地喷涂叠加起来，最终制作出立体人造骨骼部件成品。整个过程不需要任何胶水或粘结剂。科研人员们已经成功为一名 83 岁的老妇人植入了经 3D 打印制成的下颌骨。（2）打印外骨骼。3D 打印现在已经进军体外骨骼打印，旨在辅助残疾人士与肌肉萎缩人士提升行动能力。经 3D 打印制作的轻量级体外骨骼可以辅助用户站立及走动。（3）打印细胞。科学家已经使用人类细胞经 3D 打印制作出了世界上第一个人造肝脏。研究人员开发出了基于瓣膜的细胞打印过程，可以按特定的模式打印细胞。细胞打印过程中的关键在于打印机喷嘴，喷嘴用力必须轻柔，以保护细胞和组织的生命力。赫瑞瓦特大学开发了一种基于瓣膜的双

8、喷嘴打印机，能够打印高度活细胞如用于组织再生的人体胚胎干细胞。（4）打印活体组织。研究人员日前创造出一种水滴网络，能够模仿生物组织中的一些细胞特性。利用一台 3D打印机，研究小组可将小水滴组装成为一种类似胶状物的物质，它能够像肌肉一样弯曲，并能够像神经细胞束一样传输电信号，可用于修复或缓解器官衰竭。这一技术应用在医疗领域有望能够合成人造组织或器官模型。（5）打印血管。联合 3D 打印技术和多光子聚合技术，人们已成功打印出人造血管。通过这一过程打印出来的血管可以与人体组织相互“沟通”，不会发生器官排斥，且可以生长出类似于肌肉的组织。该研究成果将有望用于人体试验和药物测试。（6）打印器官。科研人员

9、采用 3D 打印技术配合人体自身细胞，使用加入细胞混合物凝胶的可生物降解脚手架，逐层构建出了肾脏。这项技术还帮助一个孩子成功移植了人工膀胱。此外，利用 CT 扫描等医学影像技术，3D 打印机还可以采用丙烯酸树脂制作出半透明的器官模型，从而帮助外科医生了解器官内部结构，实现肿瘤放疗效果的可视化。美国科学家成功利用 3D 打印技术制作出了能够精确复制疑难并发症患者的心脏解剖结构的人体心脏模型，用于医生术前研究患者心脏结构。（7）治疗癫痫。日本科研团队研发了一种新的光固化三维打印材料，这是一种具有高导电性的新型树脂，可应用于制作包括 3D 碳电极的燃料电池或生物传感器的接口。其最有前途的应用是制作可

10、与大脑连接的 3D 微电极，大脑中的神经可以通过 3D 微电极的接口进行互连，从而发送或接收来自神经元的电信号，可用于进行深部脑刺激和相关疾病如癫痫、抑郁症、帕金森氏病的干预及治疗。这项技术目前仍处于实验阶段。（8）胎儿塑像诊疗。伦敦超声波中心是英国第一家提供 3D 服务的诊所。针对怀孕 24 周、身体状况稳定的母亲，可用超声波探测其子宫中的胎儿，记录出各种数据；再运用 3D 扫描技术对这些数据进行处理从而模拟出胎儿的雏形 ；最后用黄铜将模型浇铸出来。这项技术有助于胎儿先天性缺陷的探测。（9）打印支气管。医务人员利用 3D 打印机，采用生物材料制作出了一个可在气道中开辟通道的夹板，成功挽救了一

11、名支气管软化的婴儿。（10）打印头骨。3D 打印技术凭借优异的可定制性成为骨科领域的宠儿。美国当地的医疗机构正试图将 3D 颅骨打印引入到临床治疗中。目前打印材料还未正式被美国食品药物管理局（FDA）批准，如果材料申请能够通过，那么预计会有 75% 的颅骨外伤患者接受相关修补手术。（11）减少癌患负担。通过在 3D 打印机中加入装有化学药品的容器，3D 打印机可合成用户所需药品。这将大大降低药品制作成本，减轻患者负担。4 3D打印在航空制造领域的应用进展3D 打印技术在航空制造领域的应用主要集中在3 个方面：产品外形验证$直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造#早在 20 世纪 90 年代后期，

12、美国就已经采用x选择性激光熔凝y（SLM）3D 打印技术制造了 J-2X 火箭发动机的排气孔盖#近年来波音公司已经利用 3D 打印技术制造了大约 300 种不同的飞机零部件#空客使用 3D 打印技术制造了 A380 飞机客舱行李架，在x台风y战斗机中采用了 3D 打印技术生产的空调系统，近年来制定了x透明飞机y概念，并计划在 2050 年左右采用 3D 打印技术生产制造出整架飞机。GE 航空在 2012 年 11 月 20 日收购了 MorrisTechnologies 3D 打印公司，计划采用该公司的 3D 打印技术制造 LEAP 发动机组件2013 年 1 月 14 日美国 Sciaky

13、公司采用电子束 3D 激光打印技术成功制造了尺寸为 5.8m&1.2m&1.2m 的钛合金零件，美国军工巨头洛克希德马丁公司立即宣布，将与 Sciaky 公司合作，采用该技术生产 F-35 战斗机的襟副翼翼梁。2012 年 12 月 14 日，中国工业与信息化部联合中国工程院制定了我国 3D 打印技术的技术路线图与中长期发展战略在 2013 年的全国两会会议上,中国航母舰载机歼 -15 总设计师孙聪指出近几年中国航空工业快速发展的秘密就是 3D 打印技术已基本实现产业化,并已经处于世界领先水平,中国在钛合金和 M100 钢的 3D 打印技术已应用于新机试制过程#中航成飞与沈飞计划将在研制的第五

14、代战斗机歼-20 和歼 -31 中采用 3D 激光打印技术制造钛合金主体结构件，以期降低飞机的结构重量，提高其有效推重比#西北工业大学凝固技术国家重点实验室激光制造工程中心通过 3D 激光立体打印技术为国产客机 C-919 制造了长度超过 5m 的钛合金翼梁#我国是制造业大国，3D 打印技术未来将有可能对我国的航空制造业产生革命性的变革与颠覆，因此我国的航空制造业应未雨绸缪，积极推进技术创新与投入资金进行设备研制，并在以下方面进行筹备：（1）推进x产研结合y，拓展 3D 打印技术的应用领域，延伸产业链，提高产业化程度，将 3D 打印的x增材y与传统工艺的x减材y制造相结合，形成复合制造体系。（

15、2）提升 3D 打印的速度$效率和精度#逐步实现3D 打印机体积小型化，桌面化与成本低廉化，开发多样化 3D 打印材料，特别是能够实现直接成型的金属材料。（3）改变商业模式，通过一些资本化运作手段，兼并收购一些具有核心技术的 3D 打印企业，以核心制造能力和低成本的制造效率为重点，打造航空制造企业自身的价值生产链。（4）加强 3D 打印产业联盟行业协会建设，推动产业协同发展#积极引导工业设计企业$3D 数字化技术提供商，3D 打印机及材料研发企业和机构，3D 打印服务应用提供商组建产业联盟，促进 3D 打印产业可持续发展。（5）加大科技扶持力度，提升 3D 打印技术水平，设立 3D 打印产业专

16、项基金，重点推进数字化技术，软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。（6）加强教育培训，促进 3D 打印技术的社会化推广，将 3D 打印技术纳入相关学科建设体系，培养3D 打印技术人才，依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行 3D 打印技术和应用的培训。参考文献：1 黄 健，姜 山. 3D 打印技术将掀起第三次工业革命J. 新材料产业，2013(1):62-67.2 王雪莹. 3D 打印技术及其产业发展的前景预见J. 创新科技，2012(1):14-15.3 王雪莹. 3D 打印技术与产业的发展及前景分析J. 中国高新技术企业，2012，26(233):3-5.4 王忠宏，李扬帆，张曼茵. 中国 3D 打印产业的现状及发展思路J. 经济纵横，2013(1):90-93.5 杨恩泉. 3