第一节 三维打印的基本概念

三维打印( three dimensions printing,3DP)是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化制造技术。它将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透,将对未来制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响。
人类制造业的发展经历了手工时代、机械时代和智能时代。早期手工控制的局限性很大,而机械控制则很好地解决了生产标准化和规模化量产的问题;继而得益于信息技术的发展,机械控制开始变得智能化。如果将整个三维打印机看作一部机器的话,我们所追求的就是能够有效地控制它,让它制造出我们所需要的任何物体。从这个意义上讲,三维打印技术是对人类控制能力极限的挑战和展示。除了构建出复杂的几何图形,三维打印技术还可以通过新的方式将原材料加以混合,产生出不同于以往的新型材料,我们甚至有可能在将来以纳米级的精确度将多种材料嵌入和编排到复杂的微观结构中。
目前,三维打印技术已经对传统的制造工艺带来了强烈的冲击。据统计分析显示,三维打印制造的固定义齿和助听器已经占据了80%的市场份额。现如今,再生医学的研究者将这项新技术引入到组织工程的探索实验中,衍生出新的支架材料相关产品,甚至是组织工程器官,这一切必将会在不远的将来攻克一系列难题,产生出可以造福人类的科研成果。
三维打印是一种采用陶瓷粉末、金属粉末等材料,通过逐层加工制造,最终烧结成形的制造工艺,属于快速成形技术( rapid prototyping,RP)的一种。
一、三维打印概念的提出
三维打印最早是美国麻省理工学院( MIT) Emanual Sachs等人在20世纪90年代开发的一种快速成形技术,准确地说,应该是增量制造( additive manufacturing,AM)技术。早在创意提出伊始,相关学者就树立了可以制作任何构造( any-composition),任何材料( any-material)和任何几何形状( any-geometry)的实物的愿景。自此,三维打印技术改变了传统的零件设计模式,真正实现了由概念设计向模型设计的转变,又经过了十几年的发展,国外开发出了多种新材料、新工艺的成形技术,并大量投产出了相应的三维打印机。根据其使用的不同材料类型,三维打印技术又衍生出新的黏接材料三维打印成形,光敏材料三维成形和熔融材料三维成形等新的类别。
二、三维打印技术的发展与外延
近20年来,三维打印技术有了巨大的进步,在麻省理工学院( MIT)提出的愿景征途中攀上了第一座高峰。今天,三维打印技术不仅仅局限于制作一般的零件,还可以制造出可用的功能产品;不仅可以制造塑料产品,还可以制造金属产品;不仅可用于航空航天,也即将进入千家万户;不仅可制作现代艺术品,也可用来高仿真复制古董;不仅可以制造身外之物,还可以制造人体植入物,甚至人体器官;不仅可以制造用品,还可以盖房子,制作蛋糕和牛排;是一种具有无限可能的多用途技术,其前景极其绚丽,吸引了众多的设计师、工程师、业余爱好者和投资者参与其中,成为可能引发新工业革命的导火线,各国电视媒体和期刊杂志纷纷加以报道。
美国Z Corp公司与日本Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能够作出彩色原型件的三维打印机。该公司生产的Z400、Z406及Z810打印机是采用MIT发明的基于喷射黏结剂黏结粉末工艺的三维打印设备。2000年底以色列的Object Geometries公司推出了基于结合3DInk-Jet与光固化工艺的三维打印机Quadra。美国3D Systems、荷兰TNO以及德国BMT公司等都生产出自己研制的三维打印设备。目前清华大学、西安交通大学、上海大学等国内高校和科研院所也在积极研发此类设备。三维打印技术在发达国家已经逐步向廉价化,家用化方向发展,但这项技术在国内目前尚处于研究阶段。
图17-1 第四军医大学口腔医学院赝附实验室购进的AFS-360型3D打印机