3D打印技术的起源与发展

　　第二章 本课题研究的理论依据

　　2.1 3D 打印技术的起源与发展。

　　3D 打印技术的起源早在 19 世纪末开始。当时这种前沿的技术思想已被美国了解、认识。早年的这项技术被称为"快速成型"主要应用于专业化的工业设计与生产。而随着这项技术的不断发展，更深入到各种领域，因此人们的认知度也就慢慢加深，越来越多的人开始认识这项技术。直到 20 世纪 90 年代中期"快速成型技术"才被定义为 3D打印。

　　在世界的发展史上，技术的革新是工业时代一个永恒的话题。因此为了鼓励新技术的发展。开始大力推进产品的创新、人才引进，以及新技术在各领域的应用。3D 打印技术一直保持着稳定的发展，在似乎平静的这段时间内英国著名的经济学杂志《TheEconomist》一篇关于第三次工业革命的封面文章全面掀起了新一轮的 3D 打印浪潮。

　　层叠成型方法的使用推动了 3D 打印技术的开端，利用这个方法制作的三维立体图形是 3D 打印技术发展史的开端。接下来是尝试性提出使用光固化材料将层板不断堆积直到最后形成一个立体模型。在接下来就是 1977 年提出的激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型。1979 年日本东京大学教授开始使用薄膜技术制作出使用工具。1982 年试图将光学技术应用于快速成型领域。1988 年 3D Systems 公司突出了世界上第一台基于 SLA-250,被称为"立体平面印刷机".1989 年，多种材料成型，让 3D打印生产走向多元化。1992 年该公司又推出了第一台基于 FDM 技术的 3D 打印机。1993年麻省理工大学通过胶粘剂把金属等材料粘合成型。1996 年将快速成型技术准确定义为"3D 打印"[2]2.2005 年 3D 打印机进入彩色时代。2012 年这一年，是世界 3D 打印历史上值得记忆的一年，被称为"3D 打印技术的科普元年".同期国内由亚洲制造业协会联合华中科技大学、清华大学、北京航空航天大学等权威科研机构和 3D 行业领先企业共同发起的中国 3D 打印技术产业联盟正式宣告成立。

　　20 年前的 3D 打印技术还处于起步阶段，并没有得到大的成果。而未来的 3D 打印机将带来人们无穷无尽的遐想，艺术家们也可以不计较传统的概念，近可能将自己的创意灵感挥洒出来。

　　2.1.1 3D 打印运用的领域。

　　3D 打印技术主要在工业制造、航空航天，生物科学，文化创意领域等方面有所发展，这些领域的发展状况，让读者总揽全局以了结 3D 打印行业应用状况。

　　（1） 工业制造领域。

　　在工业制造领域，3D 打印技术可以改变在生产中遇到的一切问题。实现产业化的快速、精准。同时手工劳作已被更高效、准确、价格相对更低廉的数字化生产所代替。

　　在该领域方面，应用最为广泛的是航空航天技术，对于该领域面临的 0.01 的差别，就可以导致的严重错误。利用 3D 打印技术可以避免错误的发生。同时在汽车、电器等产业也运用的比较广泛。主要原因是 3D 打印减少了人为运算的错误，同时又提高了创新能力，以及产品的精确度。

　　（2） 生物科技领域。

　　现阶段在生物科技领域的运用是比较可观的。这项技术目前主要运用于身体器官的打印。还根据个人的身体构造，病理状况来结合 3D 打印技术完成人工假体、人工组织器官的制造，这样就减少了病人与他人器官产生的排异现象。在未来的 5-10 年，3D打印技术下培育的人体器官会自动排除排斥现象。给病人的身体不会带来两次冲击，因此科学家和医学领域带头人认为这项技术在未来会有很大的发展前景。

　　由于每个人的身体构造都不相同、都存在差异。一味的等待人工捐赠只会加重病人本身的病情。而 3D 打印可以最及时、快速、准确的针对患者特定的生理功能、治疗需求，制造人工植入支架，器官等生物医学产品。这样我国首款 3D 生物打印机于 2013年问世。它的主要功能就是打印活体器官，从而代替人工捐赠的器官。主要优势在于排斥现象的发生。同时缩短了患者等待捐赠的过程。这款生物打印机的发明，为医学界未来带来新的希望。

　　（3） 文化创意领域。

　　在文化创意领域的应用虽然没有工业制造中所需要的精密，也没有医药科学的严谨，但是这个领域更突出的是创意。例如在电影、道具方面可以利用这项技术。比如说《蜘蛛侠》、成龙主演的《十二生肖》中经典一幕就是成龙通过手掌将整个生肖头像的样子输入到电脑中，然后快速的打印出一个一摸一样的复制品。同时在文化创意领域还有手工艺摆件，装饰品，服装，服饰等这些都可以称为文化创意。当然电影中的演绎只是大众对未来 3D 打印的一种向往，在当今社会中还是会受到材料、技术上的限制。

　　3D 打印技术涉及的领域非常广泛。在大领域上可以分为这几类。同时还可以分得更加细致。对于 3D 打印技术在特殊性定制上具有无与伦比的优势，但是这种优势以目前的发展水平还没有办法得到充分的应用。对于一些特殊化的高精尖设计要求，所提供的一些个性化定制服务，还需要一段时间的沉淀和积累。对于 3D 打印技术今后在各种领域的成熟和完善的发展，需要专家学者协同创新精神，不断拓展新的 3D 打印领域。

　　2.2 材料对 3D 打印技术的影响。

　　时下受关注度强的元素之一 3D 打印，由于材料和制作设备的缺乏而导致打印技术的停滞不前。材料是拓展 3D 打印技术走出非主流化设计的趋势。很多人都知道 3D 打印的成本很高，不仅仅是 3D 打印机自身的设备价格高。[3]3对于打印产品的精密度，以及打印速度的要求全部取决于对材料的要求。但是为什么在当今社会，大众对 3D 打印都有所了解，却不见它进入我们的生活中。制约该技术发展的原因主要包括原材料的紧缺、昂贵等原因。因此在产品的开发中由于材料问题而制作不出想要的产品。导致该技术难以进入市场化。

　　3D 打印的材料主要由化学组成，可分为金属材料、陶瓷材料、聚合物和复合材料。

　　打印的材料要满足精密度、韧性、强度等条件。同时有利于后续工业的加工处理。设计打印出的产品应接近设计者的要求、想法。

　　2.2.1 金属材料。

　　金属材料是 3D 打印材料中最基本的原材料。金属材料包括黑色金属、有色金属以及稀贵金属。而对于最早出现的材料塑料而言，金属材料是现代各领域运用的主要材料之一。金属的质感可以更好的运用于各种行业。虽然相对塑料、尼龙这些材料而言成本比较高。但是设计师和制作者更喜欢用这种材料制成的产品。同时金属材料已进入市场并引起了人们的极大关注。然而 3D 打印技术的技能是快速、准确的将设计概念变为现实，金属材料与 3D 打印相结合创造的产品目前是人们最感兴趣的。

　　不锈钢作为最廉价的金属材料，依然得到广泛使用。最新报道，2016 年 2 月 4 日，由荷兰代尔天特理工大学的学生团队制作出世界首辆不锈钢的自行车（图 2-1）。早在之前由钛金属制成的自行车就出现过。只是不锈钢的是首次通过。在制作过程中，除了使用熔融不锈钢粉之外，还采用了树脂。因此在自行车的柔韧性上更加完美。同时在减震系统上也得到了充分的运用。

　　不同的光面和磨砂面打印出的产品质感会有所不同。主要质感表现为不光滑、粗燥。

　　在文化创意领域运用广泛，比如珠宝、小型艺术品 、雕刻品等。对于不锈钢的应用有很多，但是要求精细度、强度高，稳定性强的产品是不会采用不锈钢的。

　　（1） 有色金属。

　　有色金属包括钛、镁铝的金属。这种金属也可运用于各种领域。钛是一种密度只有钢铁一般，强度却远胜于绝大多数合金材料，被广泛用于航空航天领域。在航空领域，钛合金依托造价低、速度快的特点，在航空工业研发中打下坚实的基础。同时，除了制造外，可以用同样技术进行修复，这样就节省了重新制造的费用。

　　有色金属不仅仅只有钛，还有镁铝合金等等。这些合金在任何领域都可以运用。多种金属的运用提升了制造的速度、精密度，同时降低了生产的成本。

　　在医学领域，镁铝合金的 3D 打印技术面临了最大的挑战，日常中由于任何外来作用对骨骼的伤害导致断胳膊腿似乎不是很严重的问题，但是现在的医学技术在治愈过程中难免对病人造成不良反应，有一些严重的创伤，往往需要患者体内打入钢钉之类的东西辅助患者愈合。这些东西长时间的留在人体内，必定会对患者产生严重的副作用。因此，由 3D 打印制作的镁铝合金将会代替钢钉。植入伤处辅助骨骼恢复。最重要的一点就是在骨骼恢复完好后不用将它取出，因为它可以随着完全的恢复而彻底溶解完毕，不留下任何痕迹。

　　（2） 稀贵金属。

　　稀贵金属主要包括金、银、铜。产量少，需求大，是它们的一大特色，所以称为稀贵金属。金质地较软，利用普通制作手法制作的黄金饰品不宜成型而且怕挤压变形。利用 3D 打印制作的 3D 足金坚硬且造型独特（图 2-2）。例如周大福、六福、千叶等珠宝品牌，利用 3D 打印技术制作的饰品外形美观、复杂且不易损坏。因此将独有的设计风格与材料的高贵品质相融合，集我们所生活的先进时代中的技术、材料和形式于一体。是 3D 打印技术的独特之处。

　　2.2.2 聚合物。

　　聚合物主要分为 ABS、EP、PLA.ABS 主要是从化石燃料中提取出来，是 3D 打印最常见的热塑性塑料。该材料具有良好的强度、柔韧性及抗高温性能，所以在工业领域运用的较为广泛。EP 即弹性材料，是 Shapeways 公司最新研制的一种 3D 打印原材料。这种材料的可塑性比较强，打印出的产品具有相当好的弹性，可以任意的变化，因此多用于服装、服饰中。在聚合物中有一种最环保的材料即"塑料垃圾",它可以变废为宝，将一些垃圾利用 3D 打印技术制成打印塑料，既环保，又可以再次获得材料，一举两得。

　　2.2.3 陶瓷及复合材料陶瓷在 3D 打印中运用比较单一。硅酸铝陶瓷粉末能够用于 3D 打印陶瓷产品。最新的研究表示，开发改进新型技术，该技术可以定制陶瓷，只需根据 CAD 在电脑上的数据，进行直接打印、烧制、上釉和装饰。唯一的缺点就是强度不高，但用于一般的炊具是足够的。

　　复合材料主要是新型材料的一种，与单一的原材料相比性能更加稳定。适用于工业制造领域、航空航天材料的制作中。

　　对于服装领域而言，再向传统时尚界取材就没有什么创新理念了。对于 3D 打印服装来说，材料是至关重要的。在解决材料问题中，首先要考虑穿着者舒适性的问题。其次就是弹性、塑性、造型等问题。因此，材料的进步一研究决定着整个 3D 打印行业的未来的发展。同时牵动着整个消费者的心。

　　2.3 如何提高该技术的运用率传统制造业的停滞不前，发展速度缓慢导致这项技术到现在并没有什么可观的成果。在未来，进入学校、家庭必定会带动整个领域的发展。对于加快该技术的使用率，应该从几方面入手：

　　1.全面普及 3D 打印技术的相关知识，进入学校课堂。从最基本的 3D 打印机进行学习。深入了解该技术的作用及现如今的发展现状。

　　2.工业制造领域、文化创意领域、医学科技领域将不同程度的运用 3D 打印技术。

　　3.大力培养相关技术人才、开发新型材料、有效的和相关企业进行联盟以及开拓新的关于 3D 打印技术领域的研究。

　　与此同时，3D 打印技术产业的崛起，还将带动设计、创意、制造、材料、教育等息息相关产业的发展。