任何東　楊景宇　李超林　劉海瓊　張小山

摘要：采用文獻(xiàn)研究法，以3D打印技術(shù)作為研究對(duì)象，具體介紹3D立體光刻技術(shù)、噴墨印刷技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)/熔融技術(shù)、熔融沉積造型術(shù)、疊層實(shí)體制造技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)的特點(diǎn)，以及3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)果表明，3D打印技術(shù)作為智能制造技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，在生物醫(yī)藥、建筑行業(yè)、教育科研、食品等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，未來(lái)發(fā)展前景良好；但3D打印技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如法律不完善、材料局限性太大等，這也是未來(lái)3D打印技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；技術(shù)特點(diǎn)；應(yīng)用領(lǐng)域；挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：TP237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）02-0030-07

3D Printing Technology and its Application Trend

REN Hedong， YANG Jingyu， LI Chaolin， LIU Haiqiong， ZHANG Xiaoshan

（School of Materials Engineering，Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：

The literature research method was used to investigate 3D printing technique in this paper. The 3D Stereo Lithography（SLA）， Inkjet Printing， Selective Laser Sintering/Melting（SLS/SLM）， Fused Deposition Modeling（FDM）， Laminated Object Manufacturing（LOM） and Directed Energy Deposition（DED） was analyzed in terms of their characteristics as well as its application fields was introduced. The results show that 3D printing technology as one of the hot topics in the research of intelligent manufacturing technology，it is used widely in the fields of biomedical， building trades， education and research， as well as food. However， 3D printing technology is also confronted with potential challenges such as imperfect regulations and limited materials， which are the critical problems to be solved.

Keywords： 3D Printing Technique； technical features； application fields； challenges

3D打?。?D printing）是一種快速成型的新興技術(shù)，通過(guò)材料的連續(xù)堆疊實(shí)現(xiàn)各種三維實(shí)體的成型。傳統(tǒng)成型是基于材料的等材或減材制造，如擠塑成型和壓鑄成型。模具有固定的形狀與尺寸，能降低成本，實(shí)現(xiàn)大批量制造。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量少、個(gè)性化的定制產(chǎn)品，傳統(tǒng)的減材制造存在工序復(fù)雜、開模成本高、浪費(fèi)等諸多缺點(diǎn)。3D打印作為一種增材制造（additive manufacturing）技術(shù)，直接以數(shù)字模型為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)造物體，可大大降低人力成本，在小批量、個(gè)性化產(chǎn)品的制造方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)Wohlers Associates公司的研究報(bào)告，全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。2017年3D打印市場(chǎng)銷售額達(dá)到74億美元；預(yù)計(jì)到2020年，這一數(shù)值將超過(guò)117億美元。自20世紀(jì)80年代至今，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，已廣泛運(yùn)用于汽車、醫(yī)療、航空航天、教育科研、消費(fèi)品等領(lǐng)域。本文在查閱大量文獻(xiàn)和實(shí)踐調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從3D打印技術(shù)的概念、技術(shù)特點(diǎn)、材料及其應(yīng)用趨勢(shì)等方面進(jìn)行介紹；并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析3D打印技術(shù)的面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向[1]

。

1 3D打印技術(shù)的歷史

1983年，Charles Hull發(fā)明了光固化立體造型術(shù)（Stereor Lithography Apparatus， SLA），并成立了一家名為3D System的公司。1987年，該公司利用SLA技術(shù)制備了第一臺(tái)3D打印機(jī)Stereor Lithography Apparatus和第一臺(tái)商用機(jī)型SLA250[2]。1990年，Crump申請(qǐng)了熔融沉積造型術(shù)（Fused Deposition Modeling， FDM）專利[3]，加速了3D打印技術(shù)的發(fā)展。1993年，麻省理工學(xué)院的Michael Cima和Emanuel Sachs教授發(fā)明了第一臺(tái)用于塑料、金屬和陶瓷制品的3D打印機(jī)[4]。隨后，大量生產(chǎn)3D打印機(jī)的公司應(yīng)運(yùn)而生，如Stratasys、Z Corporation、Helisys、Organovo。2000年以后，3D打印技術(shù)逐漸從工業(yè)領(lǐng)域延伸到私人、政府機(jī)構(gòu)，甚至醫(yī)療、食品和時(shí)尚領(lǐng)域[5-6]。盡管在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用受到目前技術(shù)的限制，但3D打印技術(shù)在打印生物器官和組織方面仍有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 3D打印技術(shù)分類

在進(jìn)行實(shí)物打印之前，人們通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design， CAD）完成產(chǎn)品的預(yù)先設(shè)計(jì)。例如，首先通過(guò)CAD得出產(chǎn)品的原型，再轉(zhuǎn)化為能夠在CAD和3D打印機(jī)之間兼容的STL（Stereor Lithography）格式文件。STL文件保存著產(chǎn)品原型每一面的數(shù)據(jù)信息[7]，通過(guò)切片和逐層打印實(shí)現(xiàn)3D造型[8-9]

。在醫(yī)療領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)X射線斷層術(shù)、激光掃描、核磁共振成像等也被用于3D產(chǎn)品的原型圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。同樣，這些技術(shù)可與CAD相結(jié)合生成STL格式文件，從而實(shí)現(xiàn)3D打印。根據(jù)制造技術(shù)的不同，每一層的厚度在25～100 μm之間[10]

，每一層厚度的控制將直接影響產(chǎn)品的精度，因而改進(jìn)切片算法能有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量[11-13]。

目前常用的3D打印技術(shù)包括：3D立體光刻技術(shù)（3D Stereo Lithography Appartus， SLA）、噴墨印刷技術(shù)（Inkjet Printing）、選擇性激光燒結(jié)/熔融技術(shù)（Selective Laser Sintering/Melting ， SLS/SLM）、熔融沉積造型術(shù)（Fused Deposition Modeling， FDM）、疊層實(shí)體制造技術(shù)（Laminated Object Manufacturing， LOM）和定向能量沉積技術(shù)（Directed Energy Deposition）。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，為提高打印質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，人們也正在積極地開發(fā)新的打印技術(shù)，如多射流熔融技術(shù)、電子束熔融技術(shù)等。

2.1 3D立體光刻技術(shù)（SLA）

SLA是最早商用化的打印技術(shù)[14-21]，根據(jù)照射方式的不同，可分為直接光刻和掩膜光刻法。直接光刻法基于直接光固化技術(shù)，如圖1a所示。容器中存有光致聚合的液體樹脂，這種樹脂在一定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的紫外光（如波長(zhǎng)λ=325 nm）的照射下會(huì)迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，由液體轉(zhuǎn)化為固體。成型開始時(shí)，承物臺(tái)位于液面以下一定距離，然后用激光在液體樹脂表面逐行掃描直至頂層需固化的液體樹脂全部固化。將承物臺(tái)下移一定距離，使液體樹脂重新覆蓋固化樹脂表面以重復(fù)光固化過(guò)程[22]。掩膜光刻法與直接光刻法的不同在之處于激光路徑和承物臺(tái)的移動(dòng)方向。如圖1b所示，承物臺(tái)位于下液面上方一定距離，然后通過(guò)窗口引導(dǎo)激光以固化承物臺(tái)和下液面之間的液體樹脂。將承物臺(tái)上移一定距離，重復(fù)光固化過(guò)程。SLA中，紫外光源和光敏樹脂材料是兩個(gè)重要的影響因素，而很大程度上，光敏樹脂限制了可用的光源。目前，常用的樹脂有環(huán)氧樹脂、丙烯酸基樹脂等。

SLA采用液體樹脂作為打印材料，因而具有一系列明顯優(yōu)勢(shì)。

SLA可成型任意復(fù)雜零件，零件越復(fù)雜，越能體現(xiàn)出該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。液體樹脂表面起伏位于納米-微米尺度，使得打印制件表面精度高

（0.05～0.2 mm），表面光潔度好，且可重復(fù)利用未成型的樹脂，原料重復(fù)利用率可達(dá)100%。但SLA也存在一些缺點(diǎn)。打印過(guò)程中需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)才能保證制件可靠定位。液體樹脂成型后的性能尚不如工業(yè)塑料，使用溫度不能超過(guò)100 ℃，且在使用過(guò)程中容易發(fā)生老化、尺寸收縮等問(wèn)題。此外，液體樹脂價(jià)格昂貴（超過(guò)1 000元/kg），固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生刺激性氣體。目前，SLA主要用于原型制作和部分零件生產(chǎn)。

2.2 噴墨印刷技術(shù)（Inkjet Printing）

噴墨印刷技術(shù)（如圖2所示）最早由Lord在1878年提出，包括兩種方式：連續(xù)噴墨和按需噴墨。連續(xù)噴墨利用該一個(gè)靜電噴頭將油墨液滴導(dǎo)向待印刷的粉體。按需噴墨在噴頭上施加了電壓和脈沖壓力來(lái)引導(dǎo)油墨噴出，從而減少了油墨的浪費(fèi)，簡(jiǎn)化了制備工藝。噴墨印刷技術(shù)所用打印材料通常是固體粉末顆粒，如陶瓷、聚合物或玻璃等ADDINEN.CITE.DATA[23-25]，料間的粘合與固化主要依靠粘合劑，因而也大大拓寬了噴墨印刷技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

噴墨印刷技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是成型效率高，且通過(guò)增加噴頭數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)彩色打印制件，減少了后處理環(huán)節(jié)。但該技術(shù)的打印制件強(qiáng)度較小，精度低于3D立體光刻技術(shù)。

它仍然是基于固體粉末材料的一項(xiàng)技術(shù)。它與噴墨印刷技術(shù)相似，不同的是前者采用激光作為熱能量，熔化高分子聚合物、陶瓷或金屬與粘結(jié)劑的混合粉直接成型，而后者使用粘合劑成型。如圖3所示，首先在承物臺(tái)上均勻覆蓋一層粉末，再通過(guò)激光使粉末的局部溫度升高以熔化粉末顆粒，粉末相互粘結(jié)，逐步得到輪廓。在非燒結(jié)區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為工作和下一層粉末的支撐。一層成型完成后，承物臺(tái)下降一層的高度，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)，如此循環(huán)完成整個(gè)三維原型。SLM技術(shù)是在SLS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它利用高功率密度的激光束直接熔化金屬粉末，獲得具有一定尺寸精度和高致密度的金屬零件。

SLS/SLM技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：1）選材廣泛，包括塑料、陶瓷、金屬等ADDINEN.CITE.DATA[28-30]；2）下層粉末可作為上層燒結(jié)部分的支撐層，因而不需要設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)；3）未被燒結(jié)的材料可循環(huán)使用，材料利用率高；4）利用大功率激光燒結(jié)，大大提高成型的速率，降低生產(chǎn)周期。

當(dāng)然，SLS/SLM技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)。比如：SLS技術(shù)在成型塑料時(shí)，成型溫場(chǎng)受限于原料的燒結(jié)窗口；SLM技術(shù)在金屬成型時(shí)，要用高功率密度的激光器，設(shè)備成本高；由于激光功率和掃描角度的限制，SLM技術(shù)成型的零件尺寸范圍有限；制品內(nèi)部應(yīng)力較大，需打印支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)制品通常要進(jìn)行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。

2.4 熔融沉積造型術(shù)（FDM）

FDM是現(xiàn)今使用最廣泛的一種快速造型技術(shù)，該技術(shù)將具有熱塑性的材料（如聚乳酸），通過(guò)加熱的方式一層一層地沉積在承物臺(tái)上ADDINEN.CITE.DATA[22，31-33]，其工作原理如圖4所示。

滾輪將熱塑性材料送往被加熱的噴嘴，噴出的材料呈半固體狀；隨著溫度的下降，材料在特定區(qū)域內(nèi)固化，完成一層的制造。與之前介紹的幾種3D打印技術(shù)一樣，隨著承物臺(tái)的下降，可在固化的打印材料上沉積另一層，最終實(shí)現(xiàn)3D打印。其主要特點(diǎn)是：1）設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于操作，特別適用于科研、教學(xué)等用途；2）“噴出-成型”的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，且為按需噴出，不產(chǎn)生材料浪費(fèi)；3）加熱溫度較低，不產(chǎn)生毒氣、化學(xué)物質(zhì)和粉塵；4）可在一個(gè)產(chǎn)品中運(yùn)用多種打印材料ADDINEN.CITE.DATA[34-38]，如傳統(tǒng)的聚合物如聚碳酸酯，聚苯乙烯，ABS等，還包括金屬，陶瓷和生物相容性材料；5）成型精度低，容易產(chǎn)生誤差、變形等問(wèn)題；6）成型速率較慢，不適合大型零件的構(gòu)建。

2.5 疊層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）

如圖5所示，將第一層薄膜材料置于承物臺(tái)上，然后按照物體橫截面形狀，使用激光掃描切割薄膜；接著承物臺(tái)向下移動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪移除多余薄膜材料，再將第二層薄膜覆蓋在第一層上，重復(fù)激光的掃描切割動(dòng)作完成第二層的造型。根據(jù)建造材料的不同，層與層之間使用不同的方式結(jié)合。如對(duì)于紙，通常使用粘合劑，而對(duì)于金屬材料，通常使用焊接。這一過(guò)程不停重復(fù)，最終形成3D打印的產(chǎn)品。

2.6 定向能量沉積技術(shù)（DED）

DED技術(shù)是用大功率激光束直接熔融沉積金屬粉末。如圖6所示，定向能量沉積技術(shù)的原理為采用噴嘴將不同原材料推送至熔池，同時(shí)使用聚焦的激光熱源將材料熔融后一層一層沉積在基板上，進(jìn)而成型。打印設(shè)備配備2～3個(gè)料筒，因而可同時(shí)打印多種材料，包括不銹鋼、銅、鎳、鋁等。

在這種工藝中，注入打印頭的金屬粉末和輸出的激光能量都可以在輸出過(guò)程中被連續(xù)改變。因此，它能夠根據(jù)工件表面狀態(tài)，修復(fù)或制作出傳統(tǒng)方法無(wú)法完成的特殊物體。DED技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它可以在修復(fù)現(xiàn)有物體的同時(shí)制作出一個(gè)新的物體。雖然用這種技術(shù)生產(chǎn)的物體需要進(jìn)行一定程度的表面處理（如用機(jī)器進(jìn)行拋光），但它們也能作為致密的金屬零件直接使用。

3 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)推動(dòng)了企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，已經(jīng)在工業(yè)制造、建筑工程、航空航天以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并催生了一些新興的應(yīng)用

3.1 3D打印在模具行業(yè)中的應(yīng)用

3D打印為傳統(tǒng)模具技術(shù)注入了新的活力，使模具的設(shè)計(jì)與分析、虛擬制造與實(shí)物制造有機(jī)結(jié)合，具有柔性良、響應(yīng)快、精度高、效率優(yōu)等特點(diǎn)。對(duì)有效提高模具設(shè)計(jì)水平、縮短模具生產(chǎn)周期、確保模具標(biāo)準(zhǔn)化、驗(yàn)證模具穩(wěn)定性和使用壽命有不可替代的作用[43]

因?yàn)槟＞咭话愣紝儆谛∨可a(chǎn)而且形狀都比較復(fù)雜，很適合3D打印來(lái)完成。3D打印使得模具冷卻通道擺脫了交叉鉆孔的限制。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)部通道更接近模具的冷卻表面，增加冷卻效率。SLM技術(shù)可打印直徑小至1.4 mm的冷卻通道。冷卻水道形狀依據(jù)產(chǎn)品輪廓的變化而變化，水道與模具型腔表面距離一致；有效提高冷卻均勻性；模具無(wú)冷卻熱點(diǎn)，提高冷卻效率，降低冷卻時(shí)間。

同時(shí)，3D打印技術(shù)可用于打印制造傳統(tǒng)方法難以加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輔助航空航天研發(fā)設(shè)計(jì)等。加速新型航空航天器的研發(fā)，其優(yōu)勢(shì)在于制造一些過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約昂貴的戰(zhàn)略金屬材料。通過(guò)3D打印提升傳統(tǒng)制造技術(shù)，使鑄造、鍛造和機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)手段更好地發(fā)揮作用。

3.2 生物醫(yī)學(xué)

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用可分為：組織和器官制造、假肢定植入體和生物醫(yī)藥研究。3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最大優(yōu)勢(shì)是可不受約束地制造個(gè)性化的產(chǎn)品。這些定制化的植入產(chǎn)品為生物體的自我修復(fù)、相容性等將產(chǎn)生積極的影響。其次，3D打印技術(shù)可大大降低植入產(chǎn)品的成本，尤其是對(duì)量少、復(fù)雜性高和需頻繁替換或修復(fù)的植入體的制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)[44]

隨后3D打印技術(shù)便在這一領(lǐng)域快速發(fā)展。目前，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的投入規(guī)模相對(duì)較小，約1千萬(wàn)美元。而在未來(lái)10年，3D打印技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)值有望超過(guò)100億美元，其中約20%將投入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域ADDINEN.CITE.DATA[44-45，48-50]。

3.2.1 打印生物組織和器官

目前，由于衰老、疾病、意外或出生缺陷等導(dǎo)致的組織或器官衰竭幾乎只能依靠活體的捐贈(zèng)，但活體移植至少有兩個(gè)嚴(yán)重的缺陷：自愿捐贈(zèng)的活體供不應(yīng)求和組織排異ADDINEN.CITE.DATA[46，51-53]。而3D打印技術(shù)為解決這兩個(gè)問(wèn)題提供了新的方向，它可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的替代、細(xì)胞濃度及細(xì)胞的尺寸等的精確控制，從而層層打印出類似組織和器官的結(jié)構(gòu)。

3.2.2 定制植入體

3D打印技術(shù)可定制植入體。傳統(tǒng)的植入體需要對(duì)金屬或塑料進(jìn)行切削等減材制造，以調(diào)整其形狀、尺寸和精度才能滿足手術(shù)的要求[53- 54]

對(duì)于人體的某些有著不規(guī)律的形狀和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的部位，如頭骨和脊柱，3D打印技術(shù)可根據(jù)個(gè)性化特征實(shí)現(xiàn)植入體的廉價(jià)而快速地打印。

3.2.3 藥物開發(fā)

3D打印技術(shù)可運(yùn)用于藥品的研究開發(fā)[50]

它的優(yōu)點(diǎn)包括藥物量可精確控制、產(chǎn)量高和藥膠囊結(jié)構(gòu)復(fù)雜。首先，運(yùn)用3D打印技術(shù)，醫(yī)師可根據(jù)病患的用藥歷史，定制藥物的攝入方式以避免藥物副作用，達(dá)到藥物充分利用的目的。其次，傳統(tǒng)制藥通常是基于活性物和非活性物的均一混合粉體，但3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)活性物和非活性物的交替構(gòu)建方式，達(dá)到藥物的精確釋放[47， 54]

例如，單一藥片中可含有多種活性成分，患者只需要服用一片藥便可靶向治療多種疾病，這對(duì)于患有多種慢性病的患者來(lái)說(shuō)，能顯著提高其服用藥物的依從性[55]

3.3 建筑

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，不僅可以打印尺寸較小的物品，而且這項(xiàng)技術(shù)也正對(duì)傳統(tǒng)的建筑行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2014年，荷蘭Dus Architects公司開工打印一座別墅，這是整個(gè)歐洲第一座完全利用3D打印技術(shù)修建的建筑。基于這一項(xiàng)目，建筑家們致力于證明通過(guò)直接打印建筑的各個(gè)部件，可以減少甚至消除浪費(fèi)和運(yùn)輸成本[56-57]

相對(duì)于傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域的生產(chǎn)，3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）降低生產(chǎn)成本；2）縮短工期；3）提高質(zhì)量；4）有利于環(huán)境保護(hù)；5）建造出復(fù)雜、特殊、個(gè)性化的建筑產(chǎn)品。

3.4 教育與科研

在教育教學(xué)方面，可利用3D打印技術(shù)打印具有保存價(jià)值或易損壞的物品用于展示，如名家雕塑、古代器皿、手工藝品、教學(xué)用具等，而將真品封存，既能使珍貴的物品外存于世，又不防礙大眾的參觀和學(xué)習(xí)[58]

在科研方面，3D打印技術(shù)能創(chuàng)造對(duì)科學(xué)家們而言更直觀的研究對(duì)象。例如在研究恐龍化石時(shí)，科學(xué)家們可利用3D掃描形成模型，再使用3D打印機(jī)打印出微縮版的恐龍骨架或某一部分骨架，不僅節(jié)省了空間，而且可對(duì)局部進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)。同樣，對(duì)于文物修復(fù)，3D打印技術(shù)也將發(fā)揮重要的作用。通過(guò)掃描損毀的文物，用計(jì)算機(jī)模擬出文物的完整形態(tài)加以重建，這對(duì)于研究古代文化、人類起源和社會(huì)發(fā)展都有著關(guān)鍵的作用。在材料科學(xué)中，科學(xué)家們可利用3D打印制造材料的微觀結(jié)構(gòu)，如分子鏈、晶胞、組織、缺陷等研究微觀世界中的各種現(xiàn)象，如分子力、相變等。

3.5 食品

隨著人們對(duì)食品的要求越來(lái)越高，個(gè)性化的食品越來(lái)越受到人們的青睞。這種定制的食品通常為手工制作且只供應(yīng)于少數(shù)人，因此生產(chǎn)效率低、成本較高。為解決需求、效率與成本的問(wèn)題，人們正在研究利用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)食品[59]

基于傳統(tǒng)技術(shù)的食品生產(chǎn)在于量，犧牲的是新穎的結(jié)構(gòu)或風(fēng)味。而3D打印食品可根據(jù)消費(fèi)者不同的喜好對(duì)食品的顏色、形狀、口味甚至營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)。它提供了一種新的策略，使人們?cè)谙硎苊朗车耐瑫r(shí)，能夠更有效地控制攝入的營(yíng)養(yǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印機(jī)將走進(jìn)普通人家的廚房，為人們提供高質(zhì)量的、新鮮的和有營(yíng)養(yǎng)的食品。目前，運(yùn)用于3D食品打印的材料通常是可流動(dòng)的，包括液體和粉末材料。材料成分主要有蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪，而這三種成本的不同配比也將影響其溶化溫度、流動(dòng)性、塑化溫度等[60-61]

4 3D打印的瓶頸和研究方向

與其他新興技術(shù)一樣，3D打印目前也存在一些問(wèn)題：

1）缺乏法律和規(guī)則約束[62]

3D打印技術(shù)可輕易地制造非法物品，如槍械及其部件、偽造物品、藥品、化學(xué)品等。不法人員不僅可快速地打印這些物品，且可將其他無(wú)害的材料打印制成有害的產(chǎn)品，這給犯罪人員提供了可乘之機(jī)。考慮到這些隱患，政府應(yīng)積極立規(guī)立法，規(guī)范3D打印行業(yè)。同時(shí)，3D打印設(shè)備廠商應(yīng)在政府的監(jiān)管下，開發(fā)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)打印設(shè)備的注冊(cè)和追蹤。

2）成本問(wèn)題。如果不考慮打印材料和設(shè)備，在制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化和小批量產(chǎn)品時(shí)，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，3D打印技術(shù)無(wú)疑更具有成本優(yōu)勢(shì)，但在大批量生產(chǎn)時(shí)，3D打印的時(shí)間成本較高，傳統(tǒng)制造仍具有成本優(yōu)勢(shì)。另一方面，現(xiàn)階段我國(guó)3D打印設(shè)備的關(guān)鍵核心部件仍然需要進(jìn)口，這使得3D打印設(shè)備的價(jià)格居高不下。因此，未來(lái)的設(shè)備研發(fā)應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化。

3）質(zhì)量問(wèn)題。在某些情況下，3D打印的產(chǎn)品質(zhì)量比傳統(tǒng)技術(shù)差，這是由于現(xiàn)有技術(shù)還不能充分地控制打印過(guò)程中的空隙率、密度、均一性等。這不僅影響物品的設(shè)計(jì)外形，而且嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品的性能。因而，打印材料和打印工藝的開發(fā)將是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家積極推動(dòng)“中國(guó)制造2025”的背景下，3D打印技術(shù)可能是最受關(guān)注的技術(shù)之一，原因在于它可能會(huì)影響人們生活的方方面面，也必將迎來(lái)一個(gè)快速的發(fā)展階段。本文在介紹3D打印技術(shù)的歷史及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域及不足進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由于3D打印技術(shù)在快速成型制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或個(gè)性化產(chǎn)品時(shí)，較傳統(tǒng)制造技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)；基于3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，它可以在生物醫(yī)藥、建筑行業(yè)、教育科研、食品等領(lǐng)域得到應(yīng)用；而針對(duì)其面臨的挑戰(zhàn)，建立法律法規(guī)、開發(fā)新的材料體系、打印工藝、計(jì)算機(jī)模擬算法是未來(lái)3D打印技術(shù)的發(fā)展方向之一。

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