從想象到現實——三維列印技術

Do you need a powerful hammer? Do you need a pair of exquisite shoes? Do you need to prepare the fantastic toys for kids? Do you need a wonderful dinner? … Just print it! Know the coolest thing at present——as from fantasy into reality. It will bring a profound industrial revolution!

如果看過電影《十二生肖》，就會對以下片段印象深刻——成龍戴上一副安裝了很多感測器的手套，將十二生肖獸首全方位掃描一遍，另一方的電腦接收到數據之後，通過控制一台機器的小噴嘴，瞬間就噴出了一個一模一樣的獸首精仿品。

這就是三維列印技術（Three-Dimensional Printing Technology）。

三維列印技術（也可叫做3D列印技術，3DP），有別於傳統的製造工藝，它是快速成形技術（Rapid Prototyping Technology）的一種。這是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體的技術。

過去通常在模具製造、工業設計等領域，被用於製造模型，現在正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值的應用，已經有使用這種技術直接列印而成的零部件。「3D列印」意味著這項技術的普及。

最早的3D列印，於1986年出現，但是當時的3D印表機體積龐大，價格昂貴，所能製造的產品非常有限。

1995年在麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）創造了「3D列印」術語，當時的畢業生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨印表機方案，變為把約束溶劑擠壓到粉末床，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案，並獲技術專利。這標誌著現代3D列印技術的正式出現。

目前，3D列印，通常是採用數字技術材料印表機來實現。這種3D印表機的產量以及銷量，在21世紀以來，就已經得到了極大的增長，其價格也在逐年下降。

設計者們先通過計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）或計算機動畫建模軟體（Computer Animation Modeling Software），如模仿實物可用三維掃描儀（3D Scanner）直接對物體進行立體掃描，在電腦中建立所要生產物品的3D數字模型，再將建成的3D數字模型「切」成逐層截面的「薄片」，從而指導印表機逐層列印。

設計軟體和3D印表機之間，協作的標準文件格式是STL（Standard Template Library，標準模板庫）文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面，三角面越小，其生成的表面解析度越高。

PLY（Polygon File Format，多邊形文件格式）是一種通過掃描產生的3D文件的掃描器，其生成的VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言）或者WRL（虛擬現實模型Virtual Reality Model的擴展名，VRML的場景模型文件）文件經常被用作全彩列印的輸入文件。

3D印表機，通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉末狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來，從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其不受幾何學的限制，幾乎可以造出任何形狀的物品。

每一層的列印過程分為兩步，首先在需要成型的區域噴洒一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然後是噴洒一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持鬆散狀態。

這樣再一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被「列印」成型，列印完畢后，只要掃除鬆散的粉末即可「刨」出模型，而剩餘粉末還可循環利用。

當然膠水和粉末都是經過處理的特殊材料，不僅對固化反應速度有要求，對於模型強度以及「列印」解析度都有直接影響。

3D印表機打出的截面的厚度（即3D空間的Z方向），以及平面方向（即3D空間的X-Y方向）的解析度是以dpi（Dots per Inch，像素每英寸）或者微米來計算的，一般的厚度為100微米，即0.1毫米。也有解析度更高的三維印表機，可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟激光印表機相近的解析度，有600dpi。列印出來的「墨水滴」的直徑通常為50——100微米。而且可以利用有色膠水，來實現彩色列印，色彩深度可達24位。綜上所訴，即使模型表面真的有文字或圖片，也能夠清晰列印。

由於受到噴列印原理的限制，列印速度勢必不會很快。較為先進的產品，可以實現每小時25毫米高度的垂直速率，相比早期產品的速度，以有10倍提升了。

用傳統工藝製造出一個模型，根據模型的尺寸以及複雜程度而定，通常需要數小時到數天。而用3D列印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然這也是由3D印表機的性能，以及模型的尺寸和複雜程度而定的。

目前3D印表機的解析度對大多數應用來說已經足夠，而要獲得更高解析度的物品，可以先用當前的三維印表機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的「高解析度」物品。

有些工藝可以同時使用多種材料進行列印。還有些在列印的過程中，會用到支撐物，不過支撐物應選用一些易於除去的東西，比如可溶的東西。

人們已經使用該技術，列印出了燈罩、人體器官、珠寶、根據球員腳型定製的足球靴、賽車零件、固態電池，以及為個人定製的手機、小提琴、吉他等，有些人甚至使用該技術製造出了機械設備。

由於3D列印生產出來的物品，通過材料一層一層的累積，才被列印出來，因此這項技術也被稱為增材製造（Additive Manufacturing，AM）技術。

3D列印技術，目前在珠寶、鞋類、工業設計，建築、工程和施工，汽車，航空、航天，牙科和醫療產業，教育，地理信息系統，土木工程，槍械，以及其它領域都有所應用。

現在3D列印技術主要的發展趨勢，還是在軍工、航空和航天等高科技領域上。

2014年8月，NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）的工程師們剛剛完成了3D列印火箭噴射器的測試，本項研究在於提高火箭發動機某個組件的性能，由於噴射器內液態氧和氣態氫一起混合反應，這裡的燃燒溫度可達到3315℃，可產生為9噸左右的推力，驗證了3D列印技術在火箭發動機製造上的可行性。

2014年9月，NASA還完成了首台3D列印成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D列印技術製造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D列印技術製造整台儀器的機構。

2015年6月，國營俄羅斯技術集團公司（Rostec）以3D列印技術製造出一架無人機樣機，重3.8公斤，翼展2.4米，飛行時速可達90至100公里，續航能力1至1.5小時。

在海軍艦艇的研究製造上，已開始應用3D列印技術製造和生產零部件，來提高效率和降低成本了。

2014年6月，美國海軍開展了「列印艦艇（Printed Naval Ships）」研討會，並在此期間向水手及其他相關人員介紹了3D列印及增材製造技術。

2014年7月，美國海軍為「埃塞克斯」號兩棲攻擊艦（USS Essex LHD-2 Amphibious Assault Ship）安裝了一個用於測試的緊湊型3D印表機，成功列印出了樣品零件，並訓練水手使用計算機輔助設計軟體。試驗了利用3D列印等先進位造技術快速製造艦艇零件，希望藉此提升執行任務速度並降低成本。

解放軍海軍的055型驅逐艦建設上也採用3D列印生產部分零部件。

在工程建築方面，3D列印技術為節能、環保、節約、省時、可循環等宜居新概念提供了發展新方向。

2014年1月，數幢使用3D列印技術建造的建築亮相蘇州工業園區，這批建築包括1棟面積1100平方米的別。這些建築的牆體由大型3D印表機層層疊加噴繪而成，而列印使用的「油墨」則由建築垃圾製成。

2014年8月，10幢3D列印建築在上海張江高新青浦園區內交付使用。這些「列印」的建築牆體也是用建築垃圾製成的特殊「油墨」，按照電腦設計的圖紙和方案，經一台大型3D印表機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建築過程僅花費24小時。

最近，3D列印技術開啟了汽車行業的新篇章。

世界第1輛「列印」汽車——Urbee T.25，於2010年7月誕生。Urbee T.25具有光滑時髦設計外觀。

2014年美國芝加哥國際製造技術展覽會上（International Manufacturing Technology Show, Chicago 2014，IMTS 2014），Local Motors公司公開亮相了1款3D列印汽車——Strati。這是種小巧的兩座家用電動汽車。列印1輛這樣的車，僅需44小時。整個車身部件總數僅為40個，而傳統汽車需要20000多個零件。

2015年，美國Divergent Microfactories公司推出了世界上首款3D列印超級跑車——「刀鋒（Blade）」。它搭載1台可使用汽油或壓縮天然氣為燃料的雙燃料700馬力發動機，整車質量僅為0.64噸，百公里加速僅用時2秒，輕鬆躋身頂尖超跑行列。

3D印表機的應用領域，也在隨著技術進步而不斷擴展。目前已經研發出了能列印皮膚、軟組織、骨骼，以及人體其它組織、器官等的3D「生物印表機」。

2014年8月，北京大學研究團隊成功地為1名12歲男孩植入了3D列印脊椎，這屬全球首例。據了解，這位小男孩的脊椎在1次足球賽受傷之後長出了一顆惡性腫瘤，醫生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術比較特殊的是，醫生並未採用傳統的脊椎移植手術，而是嘗試先進的3D列印技術。研究人員表示，這種植入物可以跟現有骨骼非常好地結合起來，而且還能縮短病人的康復時間。由於植入的3D脊椎可以很好地跟周圍的骨骼結合在一起，所以它並不需要太多的「錨定」。此外，研究人員還在上面設立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D列印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發生鬆動的情況。

2014年10月，紐約長老會醫院New York-Presbyterian Hospital使用3D列印的心臟救活1名2周大患有先天性心臟缺陷的嬰兒。在過去，這種類型的手術需要停掉心臟，將其打開並進行觀察，然後在很短的時間內來決定接下來應該做什麼。但有了3D列印技術之後，就可以在手術之前製作出心臟的模型，從而使可以對其進行檢查，然後決定在手術當中到底應該做什麼。這名嬰兒原本需要進行3、4次手術，而現在1次就夠了，這名原本被認為壽命有限的嬰兒可以過上正常的生活。

2015年1月，在邁阿密兒童醫院，有1個患有完全型肺靜脈畸形引流的4歲女孩，由於疾病她的呼吸困難免疫系統薄弱，如果不實施矯正手術僅能存活數周甚至數日。心血管外科醫生藉助3D心臟模型的幫助，通過對小女孩心臟的完全複製3D模型，成功地制定出了一個複雜的矯正手術方案。最終根據方案，成功地為小女孩實施了永久手術，現在小女孩的血液恢復正常流動，身體在治療中逐漸恢復正常。

近期，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）根據病人的CT掃描，利用CAD設計，並應用3D列印製造了一種鈦制的、與患者的幾何學結構完全吻合的胸骨和肋骨。

通過3D列印製葯生產出來的藥片內部具有豐富的孔洞，具有極高的內表面積，故能在短時間內迅速被少量的水融化。這樣的特性給某些具有吞咽性障礙的患者帶來了福音。這種設想主要針對病人對藥品數量的需求問題，可以有效地減少由於藥品庫存而引發的一系列藥品發潮變質、過期等問題。事實上，3D列印製葯最重要的突破是它能進一步實現為病人量身定做藥品的夢想。

2015年8月，首款由Aprecia製藥公司採用了自主知識產權的ZipDose 3D列印技術製備的Spritam Levetiracetam（左乙拉西坦）速溶片得到美國食品藥品監督管理局（FDA Food and Drug Administration）的上市批准。這意味著3D列印技術繼列印人體器官後進一步向製藥領域邁進，對未來實現精準性製藥、針對性製藥有重大的意義。

人們還使用3D印表機來製造雕塑，並修復雕塑，製造由塑料和聚合物，製成的3D物體，並列印出了食品。

目前，存在著許多不同的3D列印技術，它們的不同之處在於多種可用的材料的方式，以及不同層構建創建部件。

有些技術利用熔化或軟化可塑性材料的方法，來製造列印的「墨水」。例如：

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS，可用熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末等基本材料）；

直接金屬激光燒結（Direct Metal Laser Sintering，DMLS，可用幾乎任何合金）；

融化壓模（Melted and Extrusion Modeling，MEM，金屬線、塑料線）；

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM，熱塑性塑料、共晶系統、金屬、可食用材料）；

電子束熔化成型（Electron Beam Melting，EBM，鈦合金）；

選擇性熱燒結（Selective Heat Sintering，SHS，熱塑性塑料粉末）。

還有一些技術是用液體材料，作為列印的「墨水」的。例如：

立體平版印刷（Stereolithography，SLA，以光硬化樹脂作為基本材料）；

數字光處理（Digital Light Processing，DLP，液態樹脂）；

分層實體製造（Laminated Object Manufacturing，LOM，紙、金屬膜、塑料薄膜）；

熔絲製造（Fused Filament Fabrication，FFF，聚乳酸、ABS樹脂）。

每種技術都有各自的優、缺點，因而有多種3D印表機可供選擇。

一般來說，主要的考慮因素是列印的速度和成本。3D印表機的價格，物體原型的成本，還有材料以及色彩的選擇和成本。

3D列印技術的魅力在於它不需要在工廠操作，桌面印表機可以列印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房間里。但製造業產品、汽車、艦艇甚至飛機零部件等大物品，則需要更大的印表機和更大的放置空間。

3D列印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研製周期，提高生產率和降低生產成本。

3D列印的巨大價值

與傳統技術相比，3D列印技術還擁有很多優勢。通過摒棄生產線而降低了成本，大幅減少了材料浪費。而且，它還可以製造出傳統生產技術無法製造出的外形，讓人們可以更有效地設計出飛機機翼或熱交換器。另外，在具有良好設計概念和設計過程的情況下，三維列印技術，還可以簡化生產製造過程，快速有效又廉價地生產出單個物品。

3D列印技術，還有許多重要的優點。大多數金屬和塑料零件為了生產而設計，這就意味著它們會非常笨重，並且含有與製造有關，但與其功能無關的剩餘物。3D列印技術就不是這樣了，在3D列印中，原材料只為生產所需要的產品。借用3D列印技術，其生產出的零件更加精細輕盈。當材料沒有了生產限制后，就能以最優化的方式來實現其功能，因此，與機器製造出的零件相比，「列印」出來的產品的重量要輕60%，並且同樣堅固。

隨著3D列印技術產業的日趨成熟，勢必將帶來一次新的產業技術大革命。更多3D列印資訊：http://3dprint.ofweek.com/