3D打印(three-dimensional printing) 技术是一种“从无到有”的增材制造方法。其思想起源于19 世纪末美国一项分层构造地貌地形图的专利，并在20 世纪80 年代得以发展与推广。这是一项革命性技术，无需机械加工或者模具，甚至无需在工厂进行操作。英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命"，认为该技术将改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂。此外它将改变制造商品的方式，进而改变世界的经济格局，最终改变人类的生活方式。

     为报道国内3D打印领域的最新研究和应用情况，《中国科学：信息科学》2015年第2期出版了“3D打印技术及应用”专题^Hot!，包含4篇评述及4篇研究论文，篇目如下：  

面向增材制造的正向产品建模技术  

传统CAD建模技术因其自身的局限性, 极大地限制了增材制造产品的设计空间。为了最大限度地发挥增材制造的技术优势, 需要在产品设计阶段通过综合产品形状、大小、层次结构以及物质组成实现产品性能的最优化及制造成本的节约化。该文根据增材制造的4 种特性, 从复杂形状建模、复杂材料建模、复杂层次建模以及面向制造的建模等4 个方面论述了国内外对于面向增材制造的正向产品建模技术的研究概况。在此基础上, 对该领域的发展趋势进行了探讨, 认为综合一体化建模与轻量化建模将成为未来发展方向。

3D打印技术的发展及其软件实现

随着3D打印技术的不断发展, 其已经超越传统单材均质加工技术的限制, 成为可实现多材料、功能梯度材料、多色及真彩色表面纹理贴图制件的直接制造; 可跨越多个尺度(从微观结构到零件级的宏观结构) 直接制造; 并与传统加工工艺结合, 可实现多种兼顾精度和形状复杂度的新型加工方法。该文叙述了国内外上述技术的研究发展概况, 并论述了传统建模技术、3D打印数据交换格式、数据处理软件架构等方面应对3D打印技术最新发展和挑战的对策。

选择性激光烧结3D打印用高分子复合材料

选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS) 是基于粉末床的激光3D打印技术。材料对成形件的精度和物理机械性能起着决定性作用, 其中高分子基粉末是应用最早, 也是目前应用最多、最成功的SLS 材料, 但是SLS 高分子仍存在可用种类少和成形件性能较低等难题。通过添加微/纳米填料或者后处理浸渗等方法制备复合材料, 来提高SLS 成形件的某些性能以及增加SLS 材料种类, 已经成为SLS 领域材料研究的热点和重点。该文将介绍SLS 高分子复合材料的制备方法, 综述国内外的研究现状, 并对其研究趋势进行展望。

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理, 于20 世纪90 年代初提出并发展起来的一种3D 打印技术. 它是以均匀金属微滴为基本成型单元, 依据零件形状特征逐点、逐层“堆积” 而实现三维结构的快速打印技术, 具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点, 在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景。由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点, 与非金属材料喷射沉积有很大差异。该文分析了金属微滴喷射方式及其机理, 概述了此领域国内外研究现状, 并结合笔者研究实践, 阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例, 如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等, 并对该技术的重点研究方向进行了展望。

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

该文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法, 以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton) 透镜为典型应用目标, 研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法, 获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型; 通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽w与单胞尺寸a) 与其等效介电常数之间的映射关系, 从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化; 以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2 到40) 为原材料, 采用光固化3D 打印工艺, 实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明, 所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向, 实现入射电磁波的90°偏折, 且在12 18 GHz 频段范围内具有宽频特性。该文所提出的数字化设计方法与3D 打印工艺相结合, 为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径。

个性化三维打印仿生骨骼术前诊断模型

目前骨科临床手术利用CT 数字图像诊断病案、规划手术方案及复位策略, 不易在术前进行操作练习, 所选取的内固定骨钉和骨板无法测定力学匹配, 从而难以避免术后应力并发症。术中依赖手术医生的经验和工具反复测量以便准确选取内固定器械, 从而延长了患者创面开放时间, 增加术中静脉血栓甚至动脉血栓并发症几率。尤其对于血管和神经丰富的股骨头更是容易引起术中并发症,甚至致残致死。该文分析了骨骼解剖模型的结构, 研究了骨骼的内部微细结构、术前诊断模型外形轮廓以及力学性能的仿生设计方法, 在此基础上, 通过控制三维打印工艺、粉体材料成分和材料参数, 得到不同力学性能的骨支架, 从而实现了个性化定制的全骨仿生术前诊断模型。利用该模型可有效反映病患骨折和骨缺损真实特点, 并可增加观察视场, 明确骨折和骨缺损的实际情况和病症分型,从而有助于制定固定骨钉和骨板实际操作方案和规划替代骨植入方案, 为术前手术设计、复位模拟、内置物选择、三维数据测量等重要手术环节提供物理操作模型, 可明显改善手术效果, 有效缩短手术时间, 减少术中和术后并发症几率。

大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失, 小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力, 为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略. 大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析, 以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点。该文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法. 以诱导组织生长为导向, 选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β- 磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate, β-TCP)、聚乳酸(polylactide, PLA) 等生物材料开发新型支架; 以羊膝关节为研究对象, 通过反求工程、有限元分析和3D 打印技术, 利用有限的影像学数据信息, 建立膝关节模型和易病变软骨区域; 基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系, 建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构。实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境。所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案。

FDM三维打印的支撑结构的设计算法 

熔融挤压式(FDM) 三维打印是由熔化的塑料丝沉积组成物体模型的过程。熔化的塑料丝由喷嘴喷出并与喷嘴正下方的物体模型融合。然而, 塑料丝只能沉积在已经存在的物体的上表面上。因此, 需要在物体悬空的部位下方添加支撑结构使得物体能够被打印, 否则塑料丝将悬在空中无法沉积, 不能成型。该文设计并实现了一种保证三维物体模型能够打印的支撑结构方法。能够自动寻找支撑点, 并且自动寻找添加支撑结构杆。此外, 还调整了支撑杆的具体结构以增加稳定性以及易于剥除性。相比一般切片引擎如Cura, MeshMixer 的处理方法, 文中提出的算法能够在确保可打印性的前提下, 有效减少三维打印的材料和时间消耗。

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