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。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[8]。

4、復合材料

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/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，但可以預見，將來的應(yīng)用前景十分廣泛，除了可打印結(jié)構(gòu)復雜、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。