三维打印技术的应用与发展

三维打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而三维打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而三维打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，三维打印机是可以“打印”出真实三维物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车、打印各种模型，甚至是食物，等等。之所以通俗地称其为打印机是因为三维打印机参照了普通打印机的技术原理，它采用的分层加工过程与喷墨打印十分相似。

1.打印过程

1）三维打印的设计过程

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式，一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小，其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2）切片处理

三维打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面厚度（即Z方向）以及平面方向（即X—Y方向）的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者nm来计算的。一般的厚度为100 nm，即0.1 mm，也有部分打印机如Objet Connex系列、Systems ProJet系列可以打印出16 nm的截面。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50～100 nm。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3）完成打印

三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过以下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的高分辨率物品。

有些三维打印技术可以同时使用多种材料进行打印；有些三维打印技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。(www.xing528.com)

2.三维打印技术的限制因素

1）材料的限制

虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，三维打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种材料。

研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是三维打印的一大障碍。

2）机器的限制

三维打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是三维打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。

3）知识产权的忧虑

在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。三维打印技术也会涉及这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定三维打印的法律法规用来保护知识产权，也是其面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。

4）道德的挑战

道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的，如果有人打印出生物器官和活体组织，在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

5）花费的承担

三维打印技术需要承担的花费是高昂的，一台三维打印机的售价往往让普通大众难以接受。如果想要三维打印技术得到普及，降价是必须的，但这又会与成本形成冲突。

每一种新技术诞生初期都会面临着这些类似的障碍，但相信找到合理的解决方案后，三维打印技术的发展将会更加迅速，就如同任何渲染软件一样，不断地更新才能达到最终的完善。