1.3　3D打印技术的发展和应用

1.3.1　3D打印技术的发展

近年来，我们从各类媒体上获得关于3D打印的新闻逐渐增多，比如时尚的衣服、个性的鞋子、营养的食物、后现代化的房子和自行车、汽车、无人驾驶飞机等被打印出来，3D打印正在以一种不可思议的速度渗透进人们生活中的各个方面。

1986年，查尔斯.W.哈尔（Charles W.Hull，如图1.1所示）开发了第一台商业3D印刷机。

1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。

2005年，市场上首台高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

世界上第一台3D打印车（见图1.2）已经问世——这辆由美国Local Motors公司设计制造，名叫“Strati”的小巧两座家用汽车开启了汽车行业新篇章。这款创新产品在2014美国芝加哥国际制造技术展览会上公开亮相。用3D打印技术打印这辆汽车并完成组装需44h。整个车身上靠3D打印出的部件总数为40个，相较传统汽车20000多个零件来说可谓十分简洁。充满曲线的车身先由黑色塑料制造，再层层包裹碳纤维以增加强度，这一制造设计尚属首创。汽车由电池提供动力，最高时速约64km，车内电池可供行驶190～240km。尽管汽车的座椅、轮胎等可更换部件仍以传统方式制造，但用3D制造这些零件的计划已经提上日程。制造该轿车的车间里有一架超大的3D打印机，能打印长3m、宽1.5m、高1m的大型零件，而普通的3D打印机只能打印25cm³大小的东西。

2011年6月6日，发布了全球第一款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们发布了世界上第一架3D打印的飞机，见图1.3。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（solid concepts）设计制造出3D打印金属手枪。

3D打印技术目前面临着以下几个问题亟待解决。

•一是与传统切削加工技术相比，产品尺寸精度和表面质量相差较大（制造精度一般仅相当于铸造件），产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。

•二是加工速度和大批量生产效率还是比较低，不能满足工业领域的需求。

•三是设备和耗材成本仍然还是很高，如基于金属粉末的打印成本远高于传统制造。

2014年7月，美国南达科塔州一家名为Flexibe Robotic Environments（FRE）的公司公布了最新开发的全功能制造设备VDK6000，兼具有金属3D打印（增材制造）、车床（减材制造，包括：铣床、激光扫描、超声波间距、等离子焊接、研磨/抛光/钻孔）及3D扫描功能。

2015年7月，中国建筑公司盈创与迪拜联手打造全球首栋3D打印办公楼。迪拜计划使用一台20ft（约6.1m）高的打印机建造一个占地面积约2000ft²（185m²）的一层建筑，室内家具和结构部件也将通过3D打印而成。该项目由迪拜和中国建筑公司盈创联手完成。采用3D技术，将使建筑施工时间和工人成本降低至少一半，还可减少30%～60%的建筑垃圾。

2015年9月7日，西安交通大学医学院第二附属医院顺利完成了一次颈椎3D打印钛合金钢板经口腔植入手术，这意味着全国首例颈椎3D打印钛合金钢板经口腔植入手术获得成功。西安铂力特激光成形技术有限公司（以下简称“铂力特”）利用自身纯熟的金属3D打印工艺制成此定制钛合金钢板。

2015年11月02日，国产大飞机C919中央翼缘条出自3D打印机。此客机的中央翼条长达3m，是利用3D打印技术制造的大型钛合金构件。西北工业大学教授黄卫东说，针对C919的3D打印技术，采用了激光成形件加工中央翼缘条。3D打印技术的融入直接解决了C919飞机钛合金结构件的制造问题，具有划时代的意义。

2015年12月14日，Revolution科研人员Jemma Redmond和Stephen Gray在Ourobotics项目中共同开发了一款低成本的生物打印机Revolution，这款机器能够在一种生物打印结构中使用10种不同的材料（甚至更多），可应用的范围包括人体组织、制药、食品、合成生物学、电子、电池，甚至纺织品等。该机器可以支持所有凝胶状的材料，包括胶原、明胶、海藻酸盐、壳聚糖等。

2016年，瑞士联邦工学院在3D打印领域的业绩有：通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子的生物打印； 通过在三维（3D）打印的基础上加上合成物的局部控制的组合物（第四维度）和颗粒方向（第五维度）的材料设计实现的5D打印；可制造更高性能触摸屏的3D打印金银纳米墙技术。他们拥有的核心技术是专利的FluidFM技术，FluidFM技术是一种重塑微管的技术，FluidFM移液器微管（见图1.4）孔径仅为人类头发的1/500。

CytoSurge与瑞士联邦工学院的联合使得FluidFM技术与3D打印深度结合，瑞士联邦工学院通过整合FluidFM Probes到打印机上，这项技术不仅可以实现例如金、银、铜这些金属的纳米级打印，还可以打印细胞和复合材料。

1.3.2　3D打印技术的应用

3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。通过与数控加工、铸造、金属冷喷漆、硅胶模等制造手段结合，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到一定的应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。

2014年7月1日，美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。采用3D打印及其他先进制造方法，能够显著提升执行任务速度及预备状态，降低成本，避免从世界各地采购舰船配件。考虑到成本、海军后勤与供应链现存的漏洞以及面临的资源约束，先进制造与3D打印的应用越来越广，他们设想了一个由技术娴熟的水手支持的先进制造商的全球网络，找出问题并制造产品。

2014年8月31日，美国宇航局的工程师们刚刚完成了3D打印火箭喷射器的测试（见图1.5）。这项研究在于提高火箭发动机某个组件的性能，由于喷射器内液态氧和气态氢一起混合反应，这里的燃烧温度可达到大约3315℃，可产生约9tf的推力，验证了3D打印技术在火箭发动机制造上的可行性。这项测试工作在阿拉巴马亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心进行，这里拥有较为完善的火箭发动机测试条件，工程师可验证3D打印部件在点火环境中的性能。制造火箭发动机的喷射器需要精度较高的加工技术，如果使用3D打印技术，就可以降低制造上的复杂程度，在计算机中建立喷射器的三维图像，打印的材料为金属粉末，在较高的温度下，金属粉末可被重新塑造成我们需要的样子。火箭发动机中的喷射器内有数十个喷射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，该技术测试成功后将用于制造RS-25发动机，其作为美国宇航局未来太空发射系统的主要动力，该火箭可运载宇航员超越近地轨道，进入更遥远的深空。马歇尔太空飞行中心的工程部主任克里斯认为3D打印技术在火箭发动机喷射器上的应用只是第一步，其最终目的在于测试3D打印部件如何能彻底改变火箭的设计与制造，并提高系统的性能，更重要的是可以节省时间和成本。该测试中，两具火箭喷射器进行了点火，每次5s，设计人员创建的复杂几何流体模型允许氧气和氢气充分混合，压力为1400lbf/in²。

2014年10月11日，英国一个发烧友团队用3D打印技术制造出了一枚火箭。团队队长海恩斯说，有了3D打印技术，要制造出高度复杂的形状并不困难。就算要修改设计原型，只要在计算机辅助设计的软件上做出修改，打印机就会做出相对的调整。这比之前的传统制造方式方便许多。既然美国宇航局已经在使用3D打印技术制造火箭的零件，3D打印技术的前景是十分光明的。据介绍，这个名为“低轨道氦辅助导航”的工程项目由一家德国数据分析公司赞助。打印出的这枚火箭质量为3kg，高度相当于一般成年人身高，是该团队用4年时间制造出来的。

日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队2015年7月8日宣布，已研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。据称，该方法如果投入应用可以为每位患者制作模型，有助于术前确认手术顺序以及向患者说明治疗方法。这种模型是根据CT等医疗检查获得患者数据用3D打印机制作的。模型按照表面外侧线条呈现肝脏整体形状，详细地再现其内部的血管和肿瘤。由于肝脏模型内部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。据称，制作模型需要少量价格不菲的树脂材料，使原本约30万～40万日元（合人民币1.5万～2万元）的制作费降到原先的三分之一以下。

2014年10月，医生和科学家们使用3D打印技术为英国苏格兰一名5岁女童装上手掌，见图1.6。这名女童出生时左臂上没有手掌，只有手腕。在医生和科学家的合作下，为她设计了专用假肢并成功安装。

最近科学家们为传统的3D打印身体部件增添了一种钛制的胸骨和胸腔——3D打印胸腔，见图1.7。这些3D打印部件的幸运接受者是一位54岁的西班牙人，他患有胸壁肉瘤，这种肿瘤形成于骨骼、软组织和软骨当中。医生不得不切除病人的胸骨和部分肋骨，以此阻止癌细胞扩散。这些切除的部位需要找到替代品，在正常情况下所使用的金属部件会随着时间变得不牢固，并容易引发并发症。澳大利亚的CSIRO公司创造了一种钛制的胸骨和肋骨，与患者的几何学结构完全吻合。CSIRO公司根据病人的CT扫描设计并制造所需的身体部件。工作人员会借助CAD软件设计身体部分，输入3D打印机中。手术完成两周后，病人就被允许离开医院了，而且一切状况良好。

2014年9月5日，世界各地的建筑师们正在为打造全球首款3D打印房屋（见图1.8）而竞赛。3D打印房屋在住房容纳能力和房屋定制方面具有深远意义。在荷兰首都阿姆斯特丹，一个建筑师团队已经开始制造全球首栋3D打印房屋，而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。这栋建筑名为“运河住宅（Canal House）”，由13间房屋组成。这个项目位于阿姆斯特丹北部运河的一块空地上，有望3年内完工。在建中的“运河住宅”已经成了公共博物馆。荷兰DUS建筑师汉斯·韦尔默朗（Hans Vermeulen）在接受BI采访时表示，他们的主要目标是“能够提供定制的房屋。”

2014年11月10日，全世界首款3D打印的笔记本电脑（见图1.9）进行预售，它允许任何人在自己的客厅里打印自己的设备，价格仅为传统产品的一半。这款笔记本电脑名为Pi-Top。

许多女人深知，遇到一件很合身的衣服是很不容易的事，用3D打印机制作的衣服，可谓是解决女人们挑选服装时遇到困境的万能钥匙。一个设计工作室已经成功使用3D打印技术制作出服装，见图1.10。使用此技术制作出的服装不但外观新颖，而且舒适合体。这件裙子价格为1.9万人民币，制作过程中使用了2279个印刷板块，由3316条链子连接。这种称为“4D裙”的服装，就像编织的衣服一样，很容易就可以从压缩的状态中舒展开来。创始人之一，并担任创意总监的杰西卡回忆说这件衣服花费了大约48h来印制。这家公司还编写了一个适用于智能手机和平板电脑的应用程序，这有助于用户调整自己的衣服。使用这个应用程序，可以改变衣服的风格和舒适性。