3D打印的世界首輛汽車Urbee。

空間站用的3D打印機(jī)。

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后來(lái)逐漸用于直接制造一些產(chǎn)品與零部件。從打印一些裝飾件、鞋類，而后擴(kuò)大到工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、汽車自行車、航空航天器、牙科和醫(yī)療器械、教學(xué)用品、地理信息系統(tǒng)、武器裝備等領(lǐng)域都有所應(yīng)用，已成為一種萬(wàn)能的制造工藝。

在3D打印技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，立體光固化成型法（SLA，Stereo Lithography Appearance） 是最早被使用的，將特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面依次凝固，完成一個(gè)層面的繪圖，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維（3D）實(shí)體。

SLA法3D打印的原料為液態(tài)光敏樹(shù)脂，其工藝過(guò)程：首先通過(guò)CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided  Design）設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序切片處理模型，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；激光光束通過(guò)數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹(shù)脂固化，當(dāng)一層加工完成后，就形成零件的一個(gè)截面；然后升降一定距離，在固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二層固化層牢牢粘結(jié)于前一固化層上，如此這般一層又一層地疊加而成三維工件原型。將原型件從樹(shù)脂中取出后，進(jìn)行固化、打磨、再電鍍、噴漆、著色，便完成制造，得到了符合要求的商品工件。

SLA技術(shù)主要用于制備模具、模型等，還可以向原料中加入其它成分，用SLA原型模取代熔模鑄造的蠟?zāi)！?/span>SLA法成形速度快，精度也高，不過(guò)樹(shù)脂固化時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形，因而應(yīng)開(kāi)發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料。

國(guó)外3D打印技術(shù)發(fā)展概要

3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期才在美國(guó)誕生的，至今還不到40 年，但發(fā)展極快，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家 3D打印產(chǎn)品和服務(wù)收入年復(fù)合增長(zhǎng)率約25%，例如，2013年的銷售額為28.43億美元，比2012年的22.04億美元上升了29%，美國(guó)是應(yīng)用最多的國(guó)家，其次是以色列和歐洲經(jīng)濟(jì)共同體，中國(guó)占的市場(chǎng)份額小，2020年占的份額可能還不到10%，比日本的還小一些，而美國(guó)則占全球份額的約60%。據(jù)有關(guān)公司預(yù)測(cè)，2021年全世界的銷售收入將達(dá)到108億美元。今后二三十年內(nèi)中國(guó)3D技術(shù)的發(fā)展速度將居全球之冠。

1986年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·赫爾（Charles Hull）制成首臺(tái)商業(yè)3D 打印機(jī)。

1993年美國(guó)麻省理工學(xué)院獲3D 打印技術(shù)專利。

1995年，美圖Z公司（Z Corp）從麻省理工學(xué)院獲得唯一3D打印技術(shù)專利授權(quán)，開(kāi)始研發(fā)3D打印機(jī)。

2005年Z Corp公司研發(fā)的并推向市場(chǎng)的首款高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z 510問(wèn)世。

2010年11月，美國(guó)Z Corp公司吉姆·科（Jim Kor）團(tuán)隊(duì)打印成功世界上首輛3D打印汽車厄比（Urbee）。

2011年6月6日，全球第一款3D打印的比基尼誕生。

2011年7月英國(guó)科學(xué)家制成世界上首臺(tái)巧克力打印機(jī)。

2011年8月英國(guó)南安普敦（South ampton）大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)，可不是小孩玩的飛機(jī)。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家利用人體細(xì)胞首次采用3D打印機(jī)成功打印人造肝臟組織。

2013年10月，紐約拍賣行成功拍賣全球首款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。

2013年11月，美國(guó)得克薩斯州奧斯汀市（Austin）3D打印公司利用“固體概念（Solid Concepts）”設(shè)計(jì)制出3D打印金屬手槍。

從2018年8月1起，3D打印槍支在美國(guó)是合法的，成為管控對(duì)象，3D打印手槍設(shè)計(jì)圖可以在互聯(lián)網(wǎng)上自由下載。

2018年12月10日，俄羅斯宇航員利用國(guó)際空間站上的3D生物打印機(jī)在零重力環(huán)境打印出實(shí)驗(yàn)鼠的甲狀腺。

2019年1月14日，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣迭戈（San Diego）分校在《自然醫(yī)學(xué)》上發(fā)表論文，首次利用快速打印技術(shù)，制造成功模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，在裝以神經(jīng)干細(xì)胞后將其植入嚴(yán)重受損的大鼠脊柱內(nèi)，成功使大鼠恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)功能。該支架仿照中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圓形，厚僅2mm，支架中間呈H形，周圍有數(shù)十個(gè)直徑約200μm的通道，用于引導(dǎo)植入的神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿著脊髓損傷部位生長(zhǎng)。

2019年4月15日，以色列特拉維夫（Tel Aviv）大學(xué)科學(xué)家以病人自身的組織打印成功全球第一顆擁有細(xì)胞、血管、心室和心房的“完整心臟”。

2019年9月在歐洲自行車展覽會(huì)（Eurobike）上，阿里沃（Arevo）公司展出了3D打印自行車車架，用碳纖維打印，以及3D打印熱塑性輪輞。

2021年3月法國(guó)賽峰起落架系統(tǒng)公司為公務(wù)機(jī)制成首個(gè)3D打印的大型鈦合金前起落架殼體，尺寸為455mm×295mm×805mm，其質(zhì)量比鋁合金鍛造的輕15%，計(jì)劃在2022年對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，這是認(rèn)證過(guò)程中的關(guān)鍵一步。

中國(guó)3D打印技術(shù)拾零

筆者對(duì)中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)并沒(méi)有系統(tǒng)資料，下面介紹的僅是一些不全面的情況，但由這幾則例子也足以看出，中國(guó)在3D打印技術(shù)領(lǐng)域雖不是領(lǐng)跑者，但已躋身先進(jìn)之林。

2014年1月，3D打印的幾棟精致建筑物在蘇州工業(yè)園區(qū)現(xiàn)身，包括一棟1100m2的別墅和一棟6層居民樓，它們的墻體由大型3D打印機(jī)一層又一層噴繪而成，而打印使用的“油墨”全由建筑垃圾制成。

2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)交工，作為當(dāng)?shù)貏?dòng)遷工程辦公用房，其墻體是用建筑垃圾制成的特種“油墨”打印的，按照電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，由一臺(tái)大型3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，僅用了24h就打印成了10棟辦公用的建筑。

2015年7月17日上午，由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安市，搭建這座別墅僅用了3h，打印方說(shuō)：這座3h建成的精裝別墅，只要擺上家具就可以拎包入住。

2016年4月19日，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院3D打印技術(shù)研究中心對(duì)外宣稱，經(jīng)過(guò)該院和中科院空間應(yīng)用中心2年多的研制，并在法國(guó)波爾多完成拋物線失重試驗(yàn)， 中國(guó)首臺(tái)空間在軌3D打印機(jī)宣告研制成功，可打印最大零部件尺寸為200mm×130mm，可以幫助航天員在失重環(huán)境下自制所需的零件，顯著提高了空間站實(shí)驗(yàn)的靈活性，減少了空間站備品備件的種類和數(shù)量，降低了空間站對(duì)地面補(bǔ)給的依賴性。

這臺(tái)3D打印機(jī)裝于2020年5月5日首飛成功的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的新一代載人飛船試驗(yàn)艙內(nèi)，是中國(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，也是世界上第一次在太空開(kāi)展連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。

3D打印頭蓋骨等。中國(guó)在3D打印鈦材人體器官方面成就非凡，處于世界領(lǐng)先水平，2014年8月28日陜西周至農(nóng)民在修理房屋時(shí)左頭蓋被砸壞，后用3D打印鈦網(wǎng)重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，得到治療與恢復(fù)容貌。

3D打印的鈦脊椎植入一名12歲男孩體內(nèi)。2014年8月，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為一名12歲男孩成功地植入了3D打印鈦脊椎，屬全球首例。

2015年10月，中國(guó)“863計(jì)劃”3D打印血管項(xiàng)目取得長(zhǎng)足進(jìn)展，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機(jī)由四川藍(lán)光英諾生物科技股份有限公司成功研制問(wèn)世，可在短短的2min打印出100 mm長(zhǎng)的血管，同時(shí)所制血管擁有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細(xì)胞，這都屬世界首創(chuàng)。

一體化3D打印的10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件。2021年1月中國(guó)增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)制成了世界上首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金2219重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件。

他們利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，在整體制造工藝的穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均有重大技術(shù)突破與創(chuàng)新。該樣件重約 1t，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，大大簡(jiǎn)化了打印工藝，成本也大幅下降，制造周期縮短到30天。

中國(guó)鋁合金、鈦及鈦合金3D打印產(chǎn)品領(lǐng)域制造技術(shù)已躋身世界先進(jìn)行列，但在整體研發(fā)能力與制造技術(shù)方面，與美國(guó)及以色列相比還有一定的差距。