引言

航天制造工業(yè)是一個(gè)大國(guó)最高精尖的制造技術(shù)的體現(xiàn)，是一個(gè)國(guó)家探索太空領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)能的基石。20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)航天制造事業(yè)迅速發(fā)展，隨著科研投入的不斷增加，時(shí)至今日，各項(xiàng)航天技術(shù)壁壘不斷被突破，中國(guó)航天制造技術(shù)走向了新的高度[1-5]。其中，3D打印技術(shù)就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造和航空航天制造領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)又稱三維打印技術(shù)、增材制造技術(shù)、積層制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀材料（如金屬或非金屬）等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，最早于20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)。3D打印機(jī)如圖1所示。

3D打印是將計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的三維物體進(jìn)行二維化，結(jié)合數(shù)控技術(shù)，利用層端口法將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型，再逐層制造。3D打印制造技術(shù)是一門新興的制造技術(shù)，與其他制造技術(shù)相比，具有加工時(shí)間短、成型速度快、加工精度高、節(jié)省原材料等優(yōu)點(diǎn)[6-9]。

這是對(duì)“方法”的一種新的嘗試。最終目標(biāo)是通過(guò)將手機(jī)對(duì)周圍環(huán)境和能量狀態(tài)特征的“感知”融入技術(shù)[10]，實(shí)現(xiàn)完全的智能化和自動(dòng)化。隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)不斷被應(yīng)用于工業(yè)制造和航空航天制造領(lǐng)域，并取得了顯著的成果[11-17]。

1、3D打印技術(shù)原理與分類

3D打印機(jī)就像日常打印設(shè)備一樣工作。它們由計(jì)算機(jī)和印刷材料進(jìn)行數(shù)字控制和分層。然而，3D打印機(jī)打印材料不同于日常打印機(jī)，其使用的是專用材料，如陶瓷、金屬、印刷砂和塑料等。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印機(jī)是一種可以以逼真的三維狀態(tài)“打印”物體的機(jī)器，設(shè)計(jì)師可以設(shè)計(jì)自己構(gòu)思的物體，并將其打印出來(lái)，實(shí)現(xiàn)所想即所得。常用的印刷材料有鋁合金、鍍銀、尼龍玻璃纖維、不銹鋼、石膏材料、鈦合金、耐用尼龍材料、鍍金、橡膠材料等。根據(jù)成型工藝的不同，3D打印可分為顆粒、線控、擠壓等，3D打印技術(shù)具體分類如表1所示。

圖1　3D打印機(jī)

2、3D打印技術(shù)的發(fā)展

國(guó)際上，3D打印發(fā)展相對(duì)較早，商業(yè)原型出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，1986年美國(guó)科學(xué)家查爾斯赫爾開發(fā)出第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)。1993年，麻省理工學(xué)院獲得了3D打印技術(shù)專利。1995年，美國(guó)ZCorp公司獲得了麻省理工學(xué)院頒發(fā)的一次性許可證，并開始開發(fā)3D打印機(jī)。2005年，ZCorp成功開發(fā)了Z510，這是市場(chǎng)上第一臺(tái)高清3D彩色頻譜打印機(jī)。2010年11月，美國(guó)團(tuán)隊(duì)JimKor制造出了世界上第一款由3D打印機(jī)制造的汽車，如圖2所示。

圖2 3D打印的汽車

2011年7月，英國(guó)研究人員研制出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。2011年8月，南安普頓大學(xué)的工程師開發(fā)出世界上第一架3D打印機(jī)制造的飛機(jī)。

2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家首次使用人體細(xì)胞3D打印機(jī)打印出合成肝臟。2013年10月，一款名為“小野之神”的3D打印產(chǎn)品被售出，這是世界上首次出售的3D打印產(chǎn)品。2013年11月，位于德克薩斯州的Vein的3D打印機(jī)Solidcontigs生產(chǎn)出了金屬材料的槍械。2018年12月，俄羅斯宇航員在國(guó)際空間站上使用3D生物打印機(jī)在零重力下打印實(shí)驗(yàn)大鼠的甲狀腺。2019年1月，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）和加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）在Nature雜志上發(fā)表了首個(gè)復(fù)制中樞神經(jīng)系統(tǒng)脊柱的3D打印研究成果。

當(dāng)植入神經(jīng)干細(xì)胞時(shí)，會(huì)植入脊髓受到嚴(yán)重?fù)p傷的動(dòng)物，從而能夠獲得他們的運(yùn)動(dòng)技能。該系統(tǒng)試圖模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)的特性。該中樞神經(jīng)脊柱是圓形的，只有2mm厚，其構(gòu)成的框架為h型。支架周圍是數(shù)十個(gè)直徑約200μm的麥克風(fēng)，用于引導(dǎo)植入的神經(jīng)干細(xì)胞和軸突沿十字交叉。2019年8月，美國(guó)研究人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，通過(guò)Hoendenden將水冰應(yīng)用到“模具中”，成功地生產(chǎn)出膠原蛋白3D打印“骨細(xì)胞”，這是3D打印全尺寸成人心臟的一次技術(shù)上的突破。

國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)的發(fā)展較為落后，但是發(fā)展卻十分迅速。在大學(xué)的創(chuàng)新課程中也已經(jīng)開始講解3D打印技術(shù)。

Bar將3D打印的優(yōu)勢(shì)與機(jī)械學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)分析相結(jié)合，描述了3D打印在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，開發(fā)用于生產(chǎn)機(jī)械控制裝置的3D打印技術(shù)[18-20]。

3、3D打印材料簡(jiǎn)介

根據(jù)印刷材料的不同，印刷材料的性能也不同。目前，用于塑料印刷的印刷材料主要分為普通塑料、工程塑料和生物塑料。

1）通用塑料。通用塑料是一種效率高、價(jià)格低、力學(xué)性能差、應(yīng)用廣泛的塑料。它通常不用作結(jié)構(gòu)材料[21]。廣泛使用的濃縮通用塑料有ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等，但由于通用塑料質(zhì)量差，不能滿足3D打印的材料性能要求，所以通用復(fù)合材料的制造一般都是合成的。

2）工程塑料。工程塑料是一種廣泛用作建筑材料的熱塑性材料，它具有高強(qiáng)度、抗老化、高硬度和抗沖擊等特點(diǎn)[22]，被廣泛用于3D打印。最常用的工程塑料有ABS工程塑料、尼龍塑料和聚碳酸酯。其中，ABS塑料具有較好的韌性、抗沖擊性和耐腐蝕性，但耐候性和收縮變形較差；聚碳酸酯具有強(qiáng)度高、抗沖擊性好、耐火、收縮率低等優(yōu)點(diǎn)，但熔融后

黏度高、流動(dòng)性低；尼龍塑料機(jī)械性能高，耐磨性強(qiáng)，拉伸性能好，韌性優(yōu)良，但吸水率和尺寸穩(wěn)定性較差；聚醚醚酮（PEEK）具有強(qiáng)度高、韌性好、導(dǎo)熱系數(shù)低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，但具有化學(xué)惰性?，F(xiàn)階段，專家們也在通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)和分析對(duì)各種工程塑料進(jìn)行優(yōu)化，以保持其優(yōu)勢(shì)，減少其劣勢(shì)，提高其性能[23-33]。

3）生物塑料。隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，綠色產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。生物塑料是可生物降解的聚合物塑料。這種聚合物可以被天然微生物化學(xué)分解并降解成無(wú)污染的材料。使用最多的生物塑料主要是聚己內(nèi)酯、PLA、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯[21]。其中，PLA相容性好，降解性好，熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能高，但抗拉強(qiáng)度低，脆性大；聚己內(nèi)酯無(wú)毒、熔點(diǎn)低、生物相容性好、可生物降解，但力學(xué)性能較差；聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1和4-環(huán)己烷二甲酯具有優(yōu)異的韌性、透明度和生態(tài)相容性。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1 無(wú)毒，但韌性低，收縮率高；4-環(huán)己烷二甲酯黏度低，液體流動(dòng)性好，瞬間光固化，感光度高，韌性低，收縮率大。在選擇3D打印制造的原材料時(shí)，要考慮待加工零件的應(yīng)用條件，然后選擇合適的打印材料。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上，研究組介紹了3D打印技術(shù)的原理、發(fā)展歷程、優(yōu)缺點(diǎn)以及幾種打印材料，并分析了3D打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，從幾個(gè)角度對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了闡述。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科技、機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)的發(fā)展之路也越走越快。結(jié)合最新熱門的智能制造，將會(huì)使3D打印設(shè)備變得更便于操作與使用，未來(lái)3D打印技術(shù)將會(huì)應(yīng)用得更加廣泛。

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