1.3 3D打印技术的发展
学习目标
（1）了解3D打印技术的应用领域
（2）激发3D打印创作灵感
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。其生产过程主要是通过电脑软件中的3D模型或者扫描出的零件3D图片，设计出立体的加工样式，然后通过3D打印设备，用树脂、金属粉末等固体材料逐层“打印”出产品。
1.3.1 3D打印的发展历程
1986年，Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机。
1993年，麻省理工学院获3D印刷技术专利。
1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机。
2005年，市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。
2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。
2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。
2011年8月，南安普顿大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。
2012年11月，英国科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司——固体概念（SolidConcepts）设计制造出3D打印金属手枪。
1.3.2 3D打印的应用领域
3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面。
（1）生活领域
3D打印技术在日常生活领域主要用于个性化的服饰、鞋子、工艺品、桌面摆件等方面，如美国Continuum Fashion工作室打印的3D时尚凉鞋（图1-6）。
图1-6 3D时尚凉鞋
（2）模具制造领域
传统的模具制造方法周期长、成本高，一套简单的塑料注塑模具其价值在万元以上。设计上的任何失误都会造成不可挽回的损失。利用3D打印技术可快速成型机械零部件（图1-7），缩短开发周期，降低研发成本，例如机械构件的研发、塑料类零件的生产，无须加工任何模具，通过3D打印技术能很快地设计出产品雏形。
图1-7 3D打印的机械零部件
（3）医学领域
3D打印技术应用在牙齿、骨骼修复等方面的技术比较成熟。每一个人的牙齿不一样，每位病人的骨骼损坏程度也不一样，采用传统修复方法成本高、耗费时间长，还会使病人在承受疾病痛苦的同时，承受经济上的压力。而3D打印技术正好可以解决这个难题。2014年10月，医生们使用3D打印技术为英国苏格兰一名5岁女童装上手掌（图1-8）。这名女童名为海莉·弗雷泽，出生时左臂就有残疾，没有手掌，只有手腕。医生和科学家合作，为她设计了专用假肢并成功安装。
图1-8 3D打印的假肢
（4）建筑领域
3D打印技术在建筑业的应用已经比较成熟。建筑上应用的3D打印方法是先在底层铺一层薄薄的沙子，然后在上面铺一层水泥，采用蒸汽养护使其快速固化成型。北京一家公司利用3D打印技术，在北京市通州区一个工业园区中打印了一座高为6米，长宽均为15米，墙体厚度为25厘米的双层别墅（图1-9）。
图1-9 3D打印的别墅
（5）军事领域
在军事领域，3D打印技术为新武器的研发与改进带来了革命性的变革。2013年，美国一家公司利用3D打印技术成功地打造出AR-15半自动步枪的弹匣和其他部件（图1-10）。
图1-10 3D打印武器零部件
（6）食品领域
3D打印在食品领域也有成功的应用。3D食物打印机，以食物原料作“墨水”，将其放入打印机内。用户只要输入食谱，按下按钮，美味佳肴便大功告成！国内近两年的各种创客展会上，都有3D打印蛋糕的展览（图1-11）。
图1-11 3D打印蛋糕
（7）考古文物领域
3D打印技术在考古文物领域主要用于修复破损的古文物。文物工作者首先使用3D扫描仪扫描破损文物，建立相应的多维数据模型，然后进行打印。美国哈佛大学闪族博物馆的研究人员通过3D打印技术修复了一个在3000年前被打碎的瓷器狮子（图1-12）。
图1-12 3D打印修复破损文物
总之，随着技术的发展，3D打印将在各个领域应用得更为广泛，希望同学们利用自己的聪明才智，结合3D打印技术为我们的生活、为我们的世界增加更多的创作。
1.3.3 3D打印应用趋势
随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。
① 提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造。
② 开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。
③ 3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多领域的创造性应用。