1、什麽(me) 是3D打印

　　3D打印（3Dprinting）也稱為(wei) “增材製造（Additive Manufacturing）”，它是新興(xing) 的一種快速成型技術。與(yu) 傳(chuan) 統的減材製造工藝不同，3D打印是以數據設計文件為(wei) 基礎，將材料逐層沉積或黏合以構造成三維物體(ti) 的技術。

　　現代意義(yi) 上的3D打印技術於(yu) 20世紀80年代中期誕生於(yu) 美國。Charles Hull（3D Systems公司的創始人）和Scott Crump（Stratasys公司的創始人）是3D打印技術的先驅人物。以3D Systems和DTM公司為(wei) 代表的一批美國中小科技公司在20世紀80年代末-90年代初相繼研發出立體(ti) 光固成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）和熔絲(si) 沉積造型（FDM）等主流技術路線，經過20多年的沉澱和不斷完善已經日臻成熟。

　　3D打印與(yu) 傳(chuan) 統製造業(ye) 的最大區別在於(yu) 產(chan) 品成型的過程上。在傳(chuan) 統的製造業(ye) ，整個(ge) 製造流程一般需要經過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程成型。3D打印則免去了複雜的過程，無需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些傳(chuan) 統製造上無法達成的設計，製作出更複雜的結構。

              圖1：Stratasys推出工業(ye) 級高端服務領域3D打印機

 　　目前，3D打印設備已經廣泛地應用於(yu) 航空航天、汽車、消費電子、工業(ye) 、醫療、建築等領域。功能也從(cong) 最早的展示、教學拓展到工業(ye) 模具的製造，乃至零部件的直接製造。3D打印直接用於(yu) 零部件製造的比例由2003年的不到4%躍升到了2011年的24%。隨著3D打印技術越來越成熟，它的應用範圍將越來越廣，未來將深刻地改變世界製造業(ye) 的理念、方法和格局。

　　根據谘詢公司WohlersAssociates的統計，2011年全球3D打印產(chan) 品（設備+服務）的銷售總額已經達到16.8億(yi) 美元，近十年時間裏以年均27%的速度高速增長。該公司進一步預測，未來5-10年全球快速成型市場將繼續以年均20%的速度膨脹，2019年可達66.5億(yi) 美元的體(ti) 量。

　　2、3D打印的優(you) 勢和局限性

　　3D打印作為(wei) 一種嶄新的製造技術，有著傳(chuan) 統製造業(ye) 所無法比擬的諸多優(you) 勢。隨著技術的不斷進步，3D打印在鑄造精度上已經可以與(yu) 傳(chuan) 統方式相媲美。其優(you) 勢主要體(ti) 現在以下幾個(ge) 方麵。

　　（1）製造複雜物品不增加成本：對於(yu) 傳(chuan) 統工藝而言，物體(ti) 形狀越複雜，製造成本越高，而3D打印則不存在這個(ge) 問題。製造複雜物品而不增加成本將打破傳(chuan) 統的定價(jia) 模式，改變我們(men) 計算成本的方式。

　　（2）減少設備購置成本：傳(chuan) 統的製造設備功能比較少，做出的形狀也有限，3D打印可以減少購置新設備的成本，一台3D打印機隻需要不同數字設計圖紙和新的原材料。

　　（3）無需組裝：傳(chuan) 統的大規模生產(chan) 建立在組裝線基礎上，在現代工廠，機器生產(chan) 出相同的零部件，然後在進行組裝，產(chan) 品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本越高。而3D打印是一體(ti) 化成型，無需組裝，大大降低了生產(chan) 成本。

　　（4）材料組合的無限可能性：傳(chuan) 統製造業(ye) 將不同材料結合成單一產(chan) 品是件比較困難的事情，因為(wei) 無論切割或模具成型過程中都不能輕易的將多種材料融合在一起。而3D打印機能夠做到。

　　（5）突破傳(chuan) 統的設計空間：傳(chuan) 統製造技術生產(chan) 的產(chan) 品形狀有限，製造形狀的能力受製於(yu) 所使用的工具。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，甚至可以製作目前可能隻存在於(yu) 自然界的形狀。

　　但是在大規模生產(chan) 上，3D打印目前仍無法獲得規模經濟，在成本上和效率上不具優(you) 勢。因此，3D打印主要被應用於(yu) 個(ge) 性化、小批量和高精度的產(chan) 品製造上。3D打印的局限性，主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵：

　　（1）材料技術亟需突破：一般3D打印的材料包括石膏、無機料粉、光敏樹脂、塑料等，但工業(ye) 級應用的金屬粉末僅(jin) 有鈦、不鏽鋼、金銀等寥寥數種，材料種類亟需擴展。

　　（2）批量生產(chan) 經濟性不高、控製難度高：快速成型設備的成本和效率優(you) 勢體(ti) 現在小批次、設計複雜的物件製造上，但製造大型、結構簡單、大批量的零件相比於(yu) 數控機床具有劣勢，不僅(jin) 成本較高，而且由於(yu) 收縮率的影響、尺寸精度難以控製。

　　3、3D打印在醫療領域大展拳腳

　　近年來，隨著技術的發展，3D打印已率先在醫療領域獲得應用上的突破。這主要因為(wei) 醫療行業(ye) （尤其是修複性醫學領域）個(ge) 性定製化需求顯著，鮮有標準的量化生產(chan) ，而個(ge) 性化、小批量和高精度恰是3D打印技術的優(you) 勢所在。

               圖2：3D打印的假肢

                      圖3：3D打印的助聽器

     目前，3D打印在醫療生物行業(ye) 的應用主要包括三個(ge) 方麵：

    （1）體(ti) 外醫療器械製造——無需生物相容的材料

      體(ti) 外醫療器械包括醫療模型、醫療器械——如假肢、助聽器、齒科手術模板等。根據美國組織AmputeeCoalition的統計，目前美國正有約200萬(wan) 人使用3D打印假肢。

  　（2）個(ge) 性化永久植入物

　　對人體(ti) 身體(ti) 部位的複製是高度定製化的產(chan) 品，通過3D打印，這些部件可以與(yu) 身體(ti) 完全契合，與(yu) 身體(ti) 融為(wei) 一體(ti) 。以骨骼為(wei) 例，當人體(ti) 的某塊骨骼需要置換，可掃描對稱的骨骼，再打印出相應的骨骼，最後通過手術植入人體(ti) 內(nei) 。

                圖4：3D打印的功能性耳朵

　　在國內(nei) ，3D打印“骨骼”技術已經於(yu) 2013年被正式批準進入臨(lin) 床觀察階段。目前，北京大學第三醫院骨科專(zhuan) 家劉忠軍(jun) 教授帶領的團隊在征得病人同意後，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。該院在脊柱及關(guan) 節外科領域研發出3D打印脊柱外科植入物，其中頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體(ti) 及人工髖關(guan) 節三個(ge) 產(chan) 品已經進入臨(lin) 床觀察階段。這種3D打印的假骨有助將周邊的骨頭吸引過來，使人體(ti) 骨骼和植入物結合起來，促進患者康複。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢複情況非常好，在很短的時間內(nei) ，就可以看到骨細胞已經長進到打印骨骼的孔隙裏麵。

圖5：劉忠軍(jun) 教授將3D打印內(nei) 植物用於(yu) 脊柱外科手術

　　（3）細胞3D打印

　　細胞打印屬較為(wei) 前沿的研究領域，是一種基於(yu) 微滴沉積的技術——一層熱敏膠材料一層細胞逐層打印，熱敏膠材料溫度經過調控後會(hui) 降解，形成含有細胞的三維結構體(ti) 。

                           圖6：細胞3D打印過程

　　細胞打印能夠：

　　1）為(wei) 再生醫學、組織工程、幹細胞和癌症等生命科學和基礎醫學研究領域提供新的研究工具。

　　2）為(wei) 構建和修複組織器官提供新的臨(lin) 床醫學技術，推動外科修複整形、再生醫學和移植醫學的發展。

　　3）應用於(yu) 藥物篩選技術和藥物控釋技術，在藥物開發領域具有廣泛前景。

　　在這一領域領軍(jun) 的Organovo公司，已經成功研發打印出心肌組織，肺髒，動靜脈血管等。雖然目前這一技術的應用尚處於(yu) 試驗階段，但未來有望逐步應用於(yu) 器官移植手術中。

　　近日，Organovo公司宣稱用3D打印機完整打印一個(ge) 有正常生命機能的肝髒，為(wei) 肝髒移植患者提供幫助。公司先通過獨特的細胞3D打印技術，在細胞培養(yang) 基座中打印出肝髒所需的細胞組織，然後再在培養(yang) 皿中進行培養(yang) ，並生成正常形狀和機能的肝髒，然後便可以移植到人體(ti) 中，進行身體(ti) 解毒和排毒等正常代謝功能。不過，該肝髒的生命周期隻有40天左右。

    圖7：3D生物打印的腎髒內(nei) 部血管組織

　　對於(yu) 3D打印在醫學領域的應用，有人提出了一個(ge) “3D打印生命階梯”的預想，無生命的假肢位於(yu) 階梯的底層；中間是簡單的活性組織，如骨與(yu) 軟骨；簡單組織之上將是靜脈和皮膚；最靠近階梯頂層的將是複雜且關(guan) 鍵的器官，如心髒、肝髒和大腦；而生命階梯的頂層將是完整的生命單位。