武汉雷神山、火神山

医院的火速建成

向世人展现了中国基建的强大实力

传统基建蒸蒸日上

高新科技也势如破竹

近日，苏州一家企业通过一台3D打印机在24小时内打印出了15套隔离病房，火速驰援湖北，令人为之惊叹。本文就来说说3D打印这项黑科技的前世今生。

01

3D打印的起源和原理

3D打印技术起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代在以模具加工为代表的行业中得到发展，彼时叫做“快速成形（RapidPrototyping）”，现在企业及学界普遍称其“AdditiveManufacture（AM）”，国内称“增材制造”。可以说，3D打印技术是“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。

3D打印的原理可以概括为：利用逐层固化和层叠技术快速成型三维实体。用小编的“童年美（è）食（mèng）”——山东煎饼来举个“栗子”，即先把铺摊的浆料烙（固化）成一个个层状圆饼（二维层），再把层状圆饼层叠起来，就会形成一个圆柱（三维实体），如图所示：

是不是有点理解由“层”构建“实体”的含义了？当然，上面只是个比喻，虽然也有3D打印的食品，但3D打印更多还是用来成形现有技术不容易制造的复杂三维形状。

3D打印制品

而且，3D打印是在已形成的层上制作新层，以获得三维实体为目的，不是简单的堆叠。

目前3D打印技术多用于研发新产品或解决传统技术中的难题，其应用包含复杂控制环节，涉及多门学科和分类，比如，这些高大上的名字都属于3D打印：三维印刷（3DP）、叠层实体制造（LOM）、立体光固化成型（SLA）、熔融堆积成型（FDM）、激光近净成形（LENS）、激光选区成型（SLS、SLM）、电子束熔融成型（EBM）

02

3D打印的实施过程

3D打印包括三维设计、切片打印、后处理过程。

三维设计过程是先通过计算机建模，再将三维模型“分区”成逐层的截面（即切片），指导打印设备逐层打印，软件和打印设备之间协作的标准文件是STL格式文件。

切片打印是打印设备读取文件中的横截面信息，用粉状、液状、片状、丝状等材料将截面逐层打印出来，打印中各层截面固化或粘合逐步形成实体。以激光选区烧结（SLS）为例，逐层铺设粉末材料，用激光按规划路径扫描，处在扫描路径上的粉末烧结固化，形成每一个打印层。

激光选区烧结（SLS）原理

通过三维设计和切片打印，在不需要模具的情况下可以造出不同形状的物品，接下来就是后处理过程，例如，对于形状和精度要求高的表面，可以辅之传统手段（机械、化学、电化学等）进行精加工。当后续的精加工是以去除材料为特征（比如切削加工）时，称为“减材”加工，“减材”加工也可以穿插在3D打印过程中，“增材”与“减材”相结合，业内称为“增减材复合加工”。

03

3D打印的典型应用

-高分子材料-

由于以塑料（树脂）为代表的高分子材料应用广泛，3D打印在该领域最具有产业化应用趋势。常用打印有ABS、PLA、PU以及各种UV（光固化）树脂等，前文列举的工艺品，多是高分子材料制品。

值得一提的是，很多医用防护材料，如口罩、面罩、防护服等也可以通过3D打印。例如发明专利申请CNA披露了东华大学利用热塑性高分子材料3D打印的各向异性弹性拉胀面料，主要用来制作包括口罩在内的医用、清洁、过滤纺织品。

3D打印医用织物面料（CNA）

发明专利CNB披露了北京化工大学利用3D打印复印一体机制作口罩的技术，打印时通过3D扫描系统扫描人的面部特征，通过计算机自动添加拟合口罩的形状特征，也就是说，口罩是现场扫描人的脸型，个性化定制打印的。

3D打印个性化口罩（CNB）

-金属材料-

3D打印的金属制品在机械电子、航空航天、高端制造、医疗生物、模型设计、工艺美术等领域都有广泛应用。近年来，我国涉及金属合金材料的3D打印研究成果丰硕，在提升国家整体科技水平、推动“中国制造”方面发挥了越来越重要的作用，已经能够解决航空航天、高端制造等领域的一些难题，完成部分高水平合金功能材料的研发和复杂合金产品的制造及品控。

例如，奋战在抗疫第一线的华中科技大学在金属材料3D打印研究方面就颇有建树，其专利申请CNA披露了其开发的一种微铸锻铣磨原位复合的金属零件3D打印系统及方法，解决了3D打印金属零件时存在的组织性能缺陷，将金属3D打印推向了高端应用。

微铸锻与铣磨复合的3D打印原理

（CNA）

在航空航天领域，3D打印也用于解决异种材料的焊接难题。通过使用3D打印的成分梯度过渡材料作为中间层，可以促进异种材料的熔合，也可以利用激光3D打印复杂航空发动机零件。

3D打印航空发动机叶片

-非金属功能材料-

除了金属材料，3D打印技术还可以制备陶瓷、半导体、石墨烯等重要非金属功能材料或者包含它们的复合材料。

发明专利申请CNA披露了哈尔滨工业大学开发的一种3D打印耐高温石墨烯基导电结构的方法，可打印出具有力学和导电双优性能的石墨烯材料，该校还曾在年打印出世界上最轻的材料——超轻石墨烯气凝胶。

3D打印耐高温石墨烯导电材料（CNA）

-建筑材料-

近年来，3D打印胶囊房、共享房屋等报道受到大众

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/4815.html