3D打印的世界首輛汽車Urbee。

空間站用的3D打印機。

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用數(shù)字技術(shù)材料打印機實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，后來逐漸用于直接制造一些產(chǎn)品與零部件。從打印一些裝飾件、鞋類，而后擴大到工業(yè)設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)、工程機械、汽車自行車、航空航天器、牙科和醫(yī)療器械、教學(xué)用品、地理信息系統(tǒng)、武器裝備等領(lǐng)域都有所應(yīng)用，已成為一種萬能的制造工藝。

在3D打印技術(shù)發(fā)展過程中，立體光固化成型法（SLA，Stereo Lithography Appearance） 是最早被使用的，將特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面依次凝固，完成一個層面的繪圖，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面，這樣層層疊加構(gòu)成一個三維（3D）實體。

SLA法3D打印的原料為液態(tài)光敏樹脂，其工藝過程：首先通過CAD（計算機輔助設(shè)計，Computer Aided  Design）設(shè)計出三維實體模型，利用離散程序切片處理模型，設(shè)計掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺的運動；激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化，當(dāng)一層加工完成后，就形成零件的一個截面；然后升降一定距離，在固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進行第二層掃描，第二層固化層牢牢粘結(jié)于前一固化層上，如此這般一層又一層地疊加而成三維工件原型。將原型件從樹脂中取出后，進行固化、打磨、再電鍍、噴漆、著色，便完成制造，得到了符合要求的商品工件。

SLA技術(shù)主要用于制備模具、模型等，還可以向原料中加入其它成分，用SLA原型模取代熔模鑄造的蠟?zāi)！?/span>SLA法成形速度快，精度也高，不過樹脂固化時會產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形，因而應(yīng)開發(fā)收縮小、固化快、強度高的光敏材料。

國外3D打印技術(shù)發(fā)展概要

3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期才在美國誕生的，至今還不到40 年，但發(fā)展極快，國外工業(yè)發(fā)達國家 3D打印產(chǎn)品和服務(wù)收入年復(fù)合增長率約25%，例如，2013年的銷售額為28.43億美元，比2012年的22.04億美元上升了29%，美國是應(yīng)用最多的國家，其次是以色列和歐洲經(jīng)濟共同體，中國占的市場份額小，2020年占的份額可能還不到10%，比日本的還小一些，而美國則占全球份額的約60%。據(jù)有關(guān)公司預(yù)測，2021年全世界的銷售收入將達到108億美元。今后二三十年內(nèi)中國3D技術(shù)的發(fā)展速度將居全球之冠。

1986年，美國科學(xué)家查爾斯·赫爾（Charles Hull）制成首臺商業(yè)3D 打印機。

1993年美國麻省理工學(xué)院獲3D 打印技術(shù)專利。

1995年，美圖Z公司（Z Corp）從麻省理工學(xué)院獲得唯一3D打印技術(shù)專利授權(quán)，開始研發(fā)3D打印機。

2005年Z Corp公司研發(fā)的并推向市場的首款高清晰彩色3D打印機Spectrum Z 510問世。

2010年11月，美國Z Corp公司吉姆·科（Jim Kor）團隊打印成功世界上首輛3D打印汽車厄比（Urbee）。

2011年6月6日，全球第一款3D打印的比基尼誕生。

2011年7月英國科學(xué)家制成世界上首臺巧克力打印機。

2011年8月英國南安普敦（South ampton）大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機，可不是小孩玩的飛機。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家利用人體細胞首次采用3D打印機成功打印人造肝臟組織。

2013年10月，紐約拍賣行成功拍賣全球首款名為“ONO之神”的3D打印藝術(shù)品。

2013年11月，美國得克薩斯州奧斯汀市（Austin）3D打印公司利用“固體概念（Solid Concepts）”設(shè)計制出3D打印金屬手槍。

從2018年8月1起，3D打印槍支在美國是合法的，成為管控對象，3D打印手槍設(shè)計圖可以在互聯(lián)網(wǎng)上自由下載。

2018年12月10日，俄羅斯宇航員利用國際空間站上的3D生物打印機在零重力環(huán)境打印出實驗鼠的甲狀腺。

2019年1月14日，美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈（San Diego）分校在《自然醫(yī)學(xué)》上發(fā)表論文，首次利用快速打印技術(shù)，制造成功模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脊髓支架，在裝以神經(jīng)干細胞后將其植入嚴重受損的大鼠脊柱內(nèi)，成功使大鼠恢復(fù)了運動功能。該支架仿照中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，圓形，厚僅2mm，支架中間呈H形，周圍有數(shù)十個直徑約200μm的通道，用于引導(dǎo)植入的神經(jīng)干細胞和軸突沿著脊髓損傷部位生長。

2019年4月15日，以色列特拉維夫（Tel Aviv）大學(xué)科學(xué)家以病人自身的組織打印成功全球第一顆擁有細胞、血管、心室和心房的“完整心臟”。

2019年9月在歐洲自行車展覽會（Eurobike）上，阿里沃（Arevo）公司展出了3D打印自行車車架，用碳纖維打印，以及3D打印熱塑性輪輞。

2021年3月法國賽峰起落架系統(tǒng)公司為公務(wù)機制成首個3D打印的大型鈦合金前起落架殼體，尺寸為455mm×295mm×805mm，其質(zhì)量比鋁合金鍛造的輕15%，計劃在2022年對其進行測試，這是認證過程中的關(guān)鍵一步。

中國3D打印技術(shù)拾零

筆者對中國3D打印產(chǎn)業(yè)并沒有系統(tǒng)資料，下面介紹的僅是一些不全面的情況，但由這幾則例子也足以看出，中國在3D打印技術(shù)領(lǐng)域雖不是領(lǐng)跑者，但已躋身先進之林。

2014年1月，3D打印的幾棟精致建筑物在蘇州工業(yè)園區(qū)現(xiàn)身，包括一棟1100m2的別墅和一棟6層居民樓，它們的墻體由大型3D打印機一層又一層噴繪而成，而打印使用的“油墨”全由建筑垃圾制成。

2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)交工，作為當(dāng)?shù)貏舆w工程辦公用房，其墻體是用建筑垃圾制成的特種“油墨”打印的，按照電腦設(shè)計的圖紙和方案，由一臺大型3D打印機層層疊加噴繪而成，僅用了24h就打印成了10棟辦公用的建筑。

2015年7月17日上午，由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安市，搭建這座別墅僅用了3h，打印方說：這座3h建成的精裝別墅，只要擺上家具就可以拎包入住。

2016年4月19日，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院3D打印技術(shù)研究中心對外宣稱，經(jīng)過該院和中科院空間應(yīng)用中心2年多的研制，并在法國波爾多完成拋物線失重試驗， 中國首臺空間在軌3D打印機宣告研制成功，可打印最大零部件尺寸為200mm×130mm，可以幫助航天員在失重環(huán)境下自制所需的零件，顯著提高了空間站實驗的靈活性，減少了空間站備品備件的種類和數(shù)量，降低了空間站對地面補給的依賴性。

這臺3D打印機裝于2020年5月5日首飛成功的長征五號B運載火箭的新一代載人飛船試驗艙內(nèi)，是中國首次太空3D打印實驗，也是世界上第一次在太空開展連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印實驗。

3D打印頭蓋骨等。中國在3D打印鈦材人體器官方面成就非凡，處于世界領(lǐng)先水平，2014年8月28日陜西周至農(nóng)民在修理房屋時左頭蓋被砸壞，后用3D打印鈦網(wǎng)重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，得到治療與恢復(fù)容貌。

3D打印的鈦脊椎植入一名12歲男孩體內(nèi)。2014年8月，北京大學(xué)醫(yī)學(xué)研究團隊為一名12歲男孩成功地植入了3D打印鈦脊椎，屬全球首例。

2015年10月，中國“863計劃”3D打印血管項目取得長足進展，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾生物科技股份有限公司成功研制問世，可在短短的2min打印出100 mm長的血管，同時所制血管擁有獨特的中空結(jié)構(gòu)、多層不同種類細胞，這都屬世界首創(chuàng)。

一體化3D打印的10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件。2021年1月中國增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團隊采用3D打印技術(shù)制成了世界上首件10m級高強鋁合金2219重型運載火箭連接環(huán)樣件。

他們利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)，在整體制造工藝的穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均有重大技術(shù)突破與創(chuàng)新。該樣件重約 1t，創(chuàng)新采用多絲協(xié)同工藝裝備，大大簡化了打印工藝，成本也大幅下降，制造周期縮短到30天。

中國鋁合金、鈦及鈦合金3D打印產(chǎn)品領(lǐng)域制造技術(shù)已躋身世界先進行列，但在整體研發(fā)能力與制造技術(shù)方面，與美國及以色列相比還有一定的差距。