关于3D打印与人体器官的论文

3D打印——人体器官

三维(3D)打印是当今科研界乃至商业界的一大热点，被认为是第三次工业革命或制造业的新突破点。人体器官打印已被当做概念股炒作上市，吸引了无数人的注意。但器官3D打印还处于刚刚起步阶段，需要做的工作很多。尤其是复杂器官打印面临着巨大的困难和挑战。其中最主要的一个挑战就是分支血管和神经系统的快速构建。近年来已经有大批优秀的科研工作者投入其中，内容涉及人体中各个器官，如骨骼、肾脏、肝脏、心脏、大脑，并取得了一定的成绩。

人体中由多种组织构成的能行使一定或特定功能的结构单位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感觉器官，心、肝、肺、肾等内脏器官(又称为实体器官)，气管、肠、膀胱等中空器官，以及皮肤、骨骼、肌肉等结构(或支撑)器官。器官制造是千百年来人类的一大梦想。现如今，随着社会的进步，人类生活质量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺损修复成了巨大社会需求和人体器官3D打印或制造的强大推动力[1-2]。据统计，我国每年约有1.5百万名患者需要接受器官移植，但其中只有不到1%的患者能够获得合适的器官[3]。相比于传统的无生理活性的人造器官，应用生物材料制造的器官更容易被人体接受，并最终促进病损器官的修复和再生。近年来，随着3D打印技术的日渐成熟，人们获得有别于传统工艺的新型人工器官替代物逐渐成为可能[4-7]。本文从复杂器官制造的角度出发，简要介绍3D打印技术在大段骨修复材料、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪组织几方面的最新进展。

1、国内外主要趋势

3D打印(3D printing)，也叫快速成形(Rapid prototyping, RP)或加式/增材制造(Additive manufacturing, AM)是20世纪80年代末兴起的一门新技术，近年来发展十分迅猛，成为当今制造业的一个热门话题。与传统组织工程等方法不同，器官3D打印技术指在计算机的精确控制下，将细胞与凝胶材料混合在一起，进行层层堆积成形。其最大优势在于复杂外形与内部微细结构的一体化制造[8]，可以实现针对特定患者、特定需求的各种器官的个性化生产，是传统制造技术所不可企及的。如，美国哈佛大学医学院的VACANTI教授与麻省理工学院的LANGER教授合作，将生物可降解的多孔支架应用于人体重要器官肝脏的体外构建[9]。研究发现，细胞在支架表面生长良好，而在支架内部分布不均匀，中心区域的细胞成活困难易形成死核。这说明用传统组织工程的方法，在高空隙化生物材料支架上种植细胞，难以实现含血管网络的以多种细胞为基础的复杂器官制造。复杂器官制造，像建一座核电站，必须借助于先进制造技术[10-12]。由于遗传基因和生长环境的不同，人体器官在组成、结构、形态等方面千变万化，不可一概而论。又由于材料性能和加工技术的限制，由传统批量生产的无生物活性人工器官一般个性化程度低、生物相容性差，植入人体后会产生免疫排斥反应、长期后遗症等不良反应。器官3D打印技术的出现和发展正好弥补了这些缺陷。病体器官的数字信息可以将通过核磁共振图像，X射线分层摄影、X光扫描技术轻易获取并转变为可供3D打印的计算机辅助设计模型[10-12]。而且可以通过患者自体生物材料(如自体细胞)修复、逆向工程，手术模拟等过程，大大降低手术风险，将患者的痛苦减小到最低程度，在器官制造，尤其是个性化复杂器官制造方面具备很强的优势[13]。对于简单器官(如骨、软骨、膀胱)制造，借助单双喷头生物材料打印设备即可实现。而对于复杂器官(如心脏、肝脏、肾脏)制造，其关键问题

在于如何提高快成形设备制造能力，将含多种细胞的复杂血管网络与器官功能细胞借助多喷头生物材料打印设备有机整合在一起[10-12]。因为由多种细胞组成的具有分支结构的复杂血管网络是进行复杂器官养分和代谢产物输运的重要通道，也是现有组织工程方法很难解决的技术瓶颈问题。作为清华大学器官制造中心(原清华大学生物制造中心，2004年更名为器官制造中心)创始人和负责人，王小红教授长期致力于人体器官的3D打印技术，已取得了一系列创新性科研成果。如，利用自主研发的国内首台生物材料低温打印设备，将合成高分子与天然高分子、生长因子等低温打印成形[14-17]，2004年自主研发出国内第一台细胞3D打印机，确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料，如明胶/纤维蛋白原, 并通过了教育部组织的成果鉴定[18-19]。

网格状三维结构体中细胞之间建立起联系并长时间表达生物学功能[20-22]。其中脂肪干细胞可以被诱导成血管内皮细胞[23-24]。利用受控组装的大鼠脂肪干细胞和胰岛建立了能量代谢模型，用于高通量药物筛选[25]。该中心在开发出第一代单喷头器官打印机(细胞组装仪)的基础上又自主研发了第二代双喷头3D打印机[26-27]。将两种细胞与水凝胶基质材料结合，打印在空间两个不同的分隔区域，其嵌入式的分叉网络管道结构可以使营养液或血液流过非常复杂的集合结构体，是用双喷头细胞打印机对两种细胞/基质材料的三维受控组装及组装后脉动培养。该中心还深入研究了细胞组装下的冻存技术[28-30]。在细胞组装基质材料中复合细胞冻存液，组装后的三维结构可以在低温(?80 ℃)下长期保存。通过合成高分子材料与细胞低温贮藏技术相结合，形成了特有的双喷头低温器官3D打印技术(Double-nozzle low-temperature deposition manufacturing, DLDM)[31-33]。目前，清华大学器官制造中心正致力三个以上喷头3D打印设备的开发，新系统可以将三种以上细胞同时复合到含血管系统的三维结构体中，极有益于三维结构体中各种物理、化学、生物功能的实现。这些研究在设备、工艺、材料、结构等方面对各种不同器官打印具有一定的普遍性。本文摘取其中的几个亮点，并将其和盘托出，希望能起到抛砖引玉、举一反三的作用。

2、在几个主要器官打印方面的进展

2.1 在大段骨修复材料方面

早在1989年，ISERI等[34]就采用逆向工程获得了一名12岁女孩的头骨模型，将快速成形技术用于病人的诊断。由于疾病、整形等需求，有些大段骨组织修复非常棘手。临床上可以通过计算机断层扫描(Computed tomography, CT)、核磁共振成像(Magnetic resonance imaging, MRI)等技术获得缺损骨组织的三维数据模型，在计算机上重建三维图像，直观地对各种骨疾病作出正确的诊断和治疗。

采用3D打印技术制造人工骨与以往传统替代物或假肢相比有两个显著特点：一是采用可降解支架材料，使得人工骨可成为人体器官的一部分，参与代谢和生长，随着支架材料在体内的自动降解，新骨生成与支架材料的降解速率相匹配[35]；二是所得到的人工骨不仅具有与人体骨一致的形状和力学性能，同时具有一致的功能梯度。近年来，3D打印技术在骨修复材料方面应用较多，综述性论文也较多，主要原因是骨组织结构相对比较简单[36-38]。如荷兰乌得勒支大学医学中心FEDOROVICH 等[39]利用德国Envisiontech 公司生产的生物材料打印机将高黏度海藻酸钠与骨髓基质打印成网格状三维结构并植入小鼠体中。新加坡国立大学ANG 等[39]用自制的3D打印设备将壳聚糖-羟基磷灰石打印成网格状骨修复材料。美国匹兹堡大学COOPER等[40]将骨形成蛋白2打印在无细胞DermaMatrix上，用以控制颅盖骨的成形。德国SEITZ等[41]与Generis GmbH公司合作开发了一种

3D机用于打印陶瓷类骨修复材料。F-33076法国大学和波尔多第二的GUILLEMOT 等[42]用激光打印系统将细胞和生物材料直接打印在小鼠头颅骨缺损部位。澳大利亚斯威本科技大学KOUHI等[43]用熔融沉积法制备P400ABS塑料下颌骨。意大利大学间联盟(CINECA) QUADRANI等[44]模仿骨小梁结构打印多孔羟基磷灰石作为骨修复材料。美国佛罗里达州奥兰多nScrypt公司SMITH等[45]用自制的设备打印金属钛和聚己内酯(PCL)作为硬组织修复材料。

目前3D打印技术正朝着多种材料、多个维度的方向发展。尤其是干细胞的参与，使3D打印技术在个性化人工骨的制造方面具备了更加突出的优势。如：国内清华大学机械系器官制造中心从2000年起就尝试了纳米羟基磷灰石(HA)-胶原-骨生长因子等生物材料3D打印技术并用于兔挠骨缺损的修复，取得了显著成绩[46]。其中吴任东教授等利用单喷头低温冰型快速成形技术制备出孔径为200～500μm的交错贯通的骨组织工程三维支架，能够成形传统工艺不能成形的200～500μm的可控空隙结构，实现空隙梯度结构和用户化的制造[47]。王小红教授与香港中文大学秦岭教授合作，利用双喷头低温成形设备打印出既含促进成骨细胞生长的磷酸化壳聚糖又含抑制骨巨瘤细胞生长的硫酸甲基化壳聚糖双功能大段骨修复材料[48]。临床实践方面，中山市人民医院已经对六名由于下颌骨肿瘤导致下颌骨损伤的患者进行了个性化治疗。他们利用计算机辅助建模技术获得下颌骨的三维立体模型后，再通过3D打印技术制作出植入体的树脂实体模型，继而用真空离心浇铸法完成三维钛网修复体，术后六名患者均恢复理想[49]。上海大学快速制造中心胡庆夕等[50]在骨修复材料迅速固定设计系统的主要夹点自动化程序方面做出了突出的贡献。由于力学性能限制，目前临床实践中大段骨缺损的修复仍以金属材料(或陶瓷)为主，存在诸多难以克服的缺陷[49]。如，上海交通大学机械与动力工程学院的王成焘教授等[51]采用电子束熔化成形技术将金属钛及其合金直接打印成多孔支架，作为非降解型骨修复材料替代品，非降解型金属材料在体内易导电、产生炎症反应等，给患者生活带来不便。

2.2 在血管和血管网构建方面

据世界卫生组织统计，心血管类疾病是全球发病率、死亡率最高的疾病之一，全球每年约有超过1700万人死于心脏疾病。在欧洲发达国家心血管类疾病已成为最大的致死原因，每年造成至少200万人死亡，约占总死亡人数的40%。仅美国每年的血管移植物就超过140万例。在我国，随着当代心脑血管疾病的增多，下肢静脉病发病率和冠状动脉搭桥手术也逐年增加，仅北京阜外医院每年手术1000例左右，且以20%的速度递增。我国先天性心脏病的发病率是6.7‰，每年有数以万计的病人接受手术治疗，其中大多数需要人工血管和带有血管通道的瓣膜。临床上对血管移植物的需求日益突出。随之而来的问题便是血管的制作工艺和移植物的选取。临床上血管移植物一般应具备以下几个特性：

①良好的血液相容性，无血栓形成；②足够的力学性能和抗缝合强度；③良好的生物可降解性和组织再生能力；④溶出物、渗出物及降解物无毒、无免疫排异反应；⑤制备方法简单、材料来源广泛、价格低廉[52]。

目前临床上血管移植主要采取自体移植或同种异体移植，供体来源受到很大的限制。利用3D打印技术可以方便快速地制造出可供移植的血管和血管网修复材料。如，美国哥伦比亚大学的NOROTTE教授等[53]开发出了一种基于三维自动电脑辅助沉积的生物凝胶球体3D打印技术，应用于无支架的小直径血管成形，体现出了快速成形技术的快速、可重复和可量化等优势。美国Clemson 大学MIRONOV等[54]利用改装的喷墨打印机将一层基质材料上打印一层血管内皮细

胞，形成了类似面包圈的准三维立体结构。日本一学者对此工艺进行了模仿和改造[55]。喷墨打印机的特点是响应速度较快，成形精度高、成形速度快，成形材料黏度低。但由于存在力学性能、抗凝血性能、降解性能、可加工性能等诸多方面的原因，此技术仍然处于起步阶段。新加坡南洋理工大学的LEONG等[56]试图利用选择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)制造血管支架结构，研究适合于SLS技术的聚合物以及其成形结构的特性，提出了制造条件、制造精度、材料生物相容性和可重复性是3D打印技术的关键要素。又如，美国犹他大学SKARDAL 等[57]利用Fab@home 公司购进的仪器打印透明质酸水凝胶并用四面体聚乙二醇四丙烯酸酯交联制备血管修复材料。美国南卡罗来纳医科大学KASYANOV 等[58]利用同类设备Fab@CTI打印硅滴和组织块，模拟肾中分支血管部分。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校WU 等[59]用自制的3D打印设备先直写有机石蜡，然后用环氧树脂浸泡形成有分支结构的液体可以进出的血管网络结构。德国亚琛工业大学医院BLAESER 等[60]在液体碳氟化合物中打印琼脂糖凝胶，得到像分支血管样的中空3D结构。美国宾夕法尼亚大学MILLER 等[61]首先将碳水化合物玻璃打印成网格状模板，用浇注法复合载细胞水凝胶形成管道状血液通路。美国华盛顿大学ZHANG等[62]用类似的石刻技术在天然胶原基质中形成内皮化微流通道。

国内武汉大学中南医院血管外科借助3DMAX软件三维建模，利用液态光敏树脂选择性固化(Stereolithography, SLA)技术原理制作出以光敏树脂为材料的组织工程带瓣静脉支架模型[63]。LI等[64]利用三维纤维沉积提出了Ti6Al4V三维纤维沉积过程，并对其生产工艺参数进行了优化，直接生产具有可控孔隙率和孔尺寸的三维多孔性Ti6Al4V管状支架。

在血管与血管网的打印过程中血管支架材料的重要程度已经不言而喻，支架材料的选取和制作工艺一直是一个重大难题。也有学者试图避开支架的使用，进行无支架血管组织工程方面的研究[54]。但对于血管和血管网的构建而言，材料的抗凝血性、抗缝合强度和生长能力是目前制约含多层细胞的单管道和分支血管系统快速制造的重要屏障，也是未来发展的主要方向。

3、应用与结论

通过3D打印设备将生物相容性细胞、支架材料、生长因子、信号分子等在计算机指令下层层打印，形成有生理功能的活体器官，达到修复或替代的目的，在生物医学领域有着极其广泛的用途和前景。近年来3D打印技术发展迅速，已在骨骼、血管、肝脏、乳房构建等方面取得了一些成绩，但离复杂器官的功能实现还有很长一段距离。目前已有的3D打印技术存在着一个严重的缺陷，即如何将不同种类和功能的细胞排列在一个特定的三维结构中，制备出具有复杂结构的器官基体来，从而实现复杂器官的基本功能。由于人体复杂器官结构和功能的多样性，细胞与生物材料的特殊性，多学科交叉及多喷头3D打印设备的应用必将成为未来学科发展的趋势和主流，也是实现复杂器官制造的关键所在。相信在不远的将来随着研究的不断深入、诸多科学问题的逐渐突破，人体各种器官，尤其是个性化复杂器官的3D打印将会成为一种非常简单、容易、迅速、方便的医疗技术，也将成为临床上最普遍、准确、快捷、有效的修复手段。

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Progress in development of vascularized adipose tissues[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(5)：99-104.

3D打印技术的目前现状和发展趋势

3D打印技术的目前现状和发展趋势 物联网1501 张河钰0919150108 3D打印技术（3D printing），是快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。 一、3D打印技术简介 3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。 目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是医学领域具有重大意义的创新。 二、3D打印技术及产业国际国内发展现状 （1）国际情况 经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。 目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM 合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys 又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。 目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。 （2）国内情况 自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主

浅析3D打印技术的发展前景及对策

浅析3D打印技术的发展前景和对策 摘要：3D打印技术，毋庸置疑，已成为可预见未来的核心技术革命之一，其发展之势如日中天，不可逆转。注目时局，高度重视3D打印技术的研发并稳步推进其试点运行将成为积极应对3D打印技术浪潮袭来的应有之态度及举措。 关键词：3D打印技术，发展前景，态度对策 引言 众所周知，第一次工业革命和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明和电气化的使用为标志，以其强大的生产力解放为基础，深刻地改变了西方资本主义国家甚至整个世界的面貌，有力地推动了世界现代化的历史进程。显而易见，科学技术是第一生产力，更是当今世界格局下各国综合国力比较的核心指标之一，可以说，最新最前沿的科学技术的掌握和最早应用推广，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。那么，当下最值得关心注目的科学技术是什么呢？毫无争议，3D打印技术将占一重要席位且有愈演愈烈之势。 一、3D打印技术的扼要介绍 3D打印技术目前最为引人注目的当推3D打印机，鉴于此，本文将把3D打印机作为其技术典型来探讨。3D打印机诞生于20 世纪80 年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材( 胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D 实体。3D打印过程可分为两步，首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水，然后均匀喷洒粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，没有胶水的区域仍保持松散状态，重复这一过程直到实体模型被“打印”成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似，所以被称为“打印机”。[1] 二、3D打印技术的发展前景 正如著名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景——这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。根据研究3D打印机的前贤报告，可以从以下四个方面来一窥其势。未来5-10年，随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：（一）3D打印速度和效率将不断

3D打印技术发展史

3D打印技术发展史 3D打印技术实际上是一系列快速原型成形技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y孚西内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z 坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。从上个世纪80年代到今天，3D打印技术走过了—条漫长的发展之路。 1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，1986年，Chuck Hull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利。随后他离开了原来工作的U{tra Violet Products，开始成立一家名为3D SystEMS的公司，专注发展3D打印技术，1988年，3DSystems 开始生产第一台3D打印讥SLA-250，体型非常庞大。 1988年，Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM)，利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，随后也成立了～家名为Stratasys的公司。 1989年，C．R．Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS)，利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。 1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术(3DP)，将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。1995年，麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床，而不是把墨水挤压在纸张上的方案，随后创立了现代的三维打印企业Z Corporation。 1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了型号为Actua 2100、Genisys、2402的三款30打印讥产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓。 2005年，Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum 2510，同一年，英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起了开源3D打日机项目RepRap，目标是通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。

3D打印技术的研究现状和前景

3D打印技术 一、3D打印的概念 我们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，而所谓的3D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3D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。 3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为 若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 二、3D打印的原理 3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80 年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被 传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD ）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。 三、3D打印的过程 1）三维设计阶段：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

3D打印技术的发展历史与趋势

3D打印技术的发展历史与趋势 年级 班级 姓名 学号 页脚内容1

3D打印技术的发展历史与趋势 摘要:3D打印技术从上个世纪80年代到今天，3D打印技术走过了—条漫长的发展之路。同时在我们的生活也十分常见，在以后的生活中更是密不可分。 关键词：3D打印历史趋势设备 前言 3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，被誉为是第三次工业革命的重要标志之一。近年来，国内外3D打印技术蓬勃发展，在航空航天、生物医学工程、工业制造等多个方面有着广泛地应用。 3D打印技术的历史发 1984年，Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，1986年，Chuck Hull发明了立体光刻工艺，利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利。随后他离开了原来工作的U{tra Violet Products，开始成立一家名为3D Systems的公司，专注发展3D打印技术，1988年，3DSystems 开始生产第一台3D打印讥SLA-250，体型非常庞大。 1988年，Scott Crump发明了另外一种3D打印技术——热熔解积压成形(FDM)，利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，随后也成立了～家名为Stratasys的公司。 页脚内容2

1989年，C．R．Dechard博士发明了选区激光烧结技术(SLS)，利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。 1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术(3DP)，将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起戍形。1995年，麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床，而不是把墨水挤压在纸张上的方案，随后创立了现代的三维打印企业Z Corporation。 1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了型号为Actua 2100、Genisys、2402的三款30打印讥产品，第一次使用了“3D打印机”的称谓。 2005年，Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一Speum 2510，同一年，英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起了开源3D打日机项目RepRap，目标是通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。2008年，第—个基于RepRap的30打印机发布，代号为“Darwin”，它能够打印自身50%元件，体积仅—个箱子大小。 2010年11月，第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车出现，它的所有外部组件都由3D打印制作完成，包括用Dimension 3D打印机和由Stratasys公司数字生产服务项目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系统制作完成的玻璃面板。 2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月，维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机重1.5kg，报价约1200欧元。 2012年3月，维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术突破了3D打印的最小极限，展示了一辆长度不到0.3mm的赛车模型。7月，比利时的international Univers时CollegeLeuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车，其车速达到了140千米／小时。12月，美国分布式防御组织成功测试了3D打印的枪支弹夹。 在近些年来随着3D打印技术的不断成熟这项技术在各个领域已经发挥着非常重要的作用。 3D打印技术的发展趋势 随着智能制造，控制技术，材料技术，信息技术等不断发展和提升，这些技术也被广泛地综合应用与制造工业，3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。 页脚内容3

3D打印技术的研究现状和前景要点

材料科学基础读书报告 制作人：X X 时间：X.X.X

3D打印技术 一、3D打印的概念 我们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，而所谓的3D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3D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。 3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 二、3D打印的原理 3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。 使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D 打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。 三、3D打印的过程 1) 三维设计阶段：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

浅谈3d打印机现状与发展趋势

浅谈3D打印机现状与发展趋势 浅谈3D打印机现状与发展趋势 摘要：3D打印机（3D Printers）作为3D领域的一种前性产品，目前成为一种潮流正迅猛发展。3D打印机被称之为改变未来世界新的创造性科技，不仅改变了许多工厂的生产方式，给制造业带来一场革命，还将进入到我们的家庭，给工业生产和我们的生活带来巨大的革命性改变。 关键词：打印机打印过程建模喷嘴三维 一、起源 3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印技术发展成熟并被广泛应用。3D打印源自100多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型”。 在此之前，三维打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市上买不到的零部件。现在则主要用在航天、医疗等精密制造行业，以制作出普通工业流水线无法生产的复杂产品。 二、工作原理 工作原理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，从而指导打印机逐层打印。把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来，打印出的产品，可以即时使用。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。 3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切“成无数叠加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。目前3D打印机可打印的材料主要有石膏、尼龙、ABS塑料、PC、树脂、金属、陶瓷等，这些原材料都是专门针对3D

国内外3D打印技术的现状及发展

国内外3D打印技术的现状及发展 曾燕萍 文法学院汉语言文学专业14级一班 1470150127 近来，有关3D打印新进展的报道如雨后春笋般涌现，在企业、科研机构 和媒体的互动下，3D打印的未来似乎一片光明，甚至频频提到或将带来“第 三次工业革命”的高度。 3D打印仍是非常昂贵的技术 近年来展示了实验室在3D打印、3D数字化、3D建模和3D可视化方面的 研究成果。 以前人们打印仅仅指所谓的快速原型制造，而近几年这一技术已经向快 速制造进一步发展。 快速制造还有一个优势，它可以生产定制的部件。于牙科修复等。各种可 以替代的人体‘零部件’，如食道等也都可以这样生产。在世界各地的几个 地方还有在组织工程中应用快速制造，用来进行替代人体组织的研究。总体 而言，3D打印已经应用到许多领域，而且未来几年这一趋势还将扩大。 目前为止，3D打印技术仍然是一个非常昂贵的技术。设备购置、材料成本以及技术维护都还非常昂贵。在3D打印机市场上虽然可以有多种不同的技术，但是每种技术只有一个制造商，他们仍然试图维持较高的价格，因此一般的 中小型企业在经济上难以支撑这样的应用。还有一个更大的问题，即3D打印 是非常劳力密集型的应用，3D打印任务不可能点击一个按钮就自动产生。 大部分的工作在于密集的数据准备。这需要大量的时间，并要求大部分员工 有长期的经验和专门技能，这样的人现在数量还非常少，这也不是一个中小 企业所负担得起的。 3D打印首先是补充生产工具 3D打印技术的应用迄今仍被局限于利基市场（即高度专门化的需求市场），如医疗或模具，有很大的发展前景。 看待3D打印热潮 目前3D打印技术的发展仍然主要集中在美国。德国也成立了第一批类似 的公司，并且有了自己生产的3D打印机。 实际上，现阶段大多数吸引眼球的3D打印新应用都还只是演示或单件产品，其成本与实用性往往被忽略，低估它们的长期发展潜力。 3D打印技术涉及范围不断扩大（海军舰艇、航天科技、医学领域、房屋建筑、汽车行业、电子行业、服装领域等），对人类的发展起到极大的促进作用，推动了一系列领域的发展。三维数字化设计改变了设计流程，提高了试 制效率；五级成熟度管理模式，冲破设计和制造的组织壁垒，而这与3D打印 技术关系紧密。

3D打印技术应用趋势及发展前景

3D打印技术应用趋势及发展前景 1 3D打印的概述 3D打印是能够有效地将数字化二维模型实体化的一种快速成型技术，它在设计和制造物体方面表现十分高效，又称增材制造。3D打印的工作原理就是将一个三维的几何拆分为若干个二维的平面，依据拆分对象的三維数据对打印对象进行逐层加工，利用成形设备层层材料堆积而形成所需要的立体模型，制造出实体三维模型。通俗一点来说，就像是现今社会上普遍存在的普通打印机，可以打印出纸面（即二维空间）上的任意图画，3D打印就是将三维几何切分成一个个二维平面进行打印，然后将平面进行顺序叠加，最终制造出一个实体立体几何模型。3D打印采用的是增材制造的方式，和采用减材制造的传统工艺有所不同，它在实现原材料的高效利用上具有重要意义，节约能源，是一种更加符合现代化建设的制造方式。目前为止，发展的3D打印技术类型有熔融沉积式（FDM）、分层叠加式（GLOM）、光敏树脂固液化成式（SLA）、选择性粉末激光烧结式（SLS）、激光选区融化式（SLM）等。 自3D打印技术产生以来，就是作为人类社会文明的一次重大突破而存在的。仅仅几十年的时间，3D打印技术就已经广泛应用于各个不同的领域，产生显著影响。同时，随着社会的进步，3D打印技术快速且广泛的被大众所关注、讨论和接受，3D打印机的价格也不断下降，更为其普及程度作出贡献，使更多普通用户能够体验到制造三维立体模型的所带来的新奇感与愉悦感。现如今3D打印技术的普遍应用，不仅仅是因为它更为多样化的材料选择和加工方式更加符合现代化道路的发展，也是因为它是人类文明历史上前所未有的一种生产生活方式和理念。准确来讲，3D打印并非是一种全新的技术，与其称它为新，不如称它是综合性生产方式，毕竟它综合了现代计算机、激光、材料等多种先进技术。可以说3D打印是一种应运而生的综合

3D打印技术的发展前景

科技前沿知识讲座 3D打印 姓名: 刘亚 学号:130606417

3D打印技术的发展前景 摘要：3D打印技术，毋庸置疑，已成为可预见未来的核心技术革命之一，其发展之势如日中天，不可逆转。注目时局，高度重视3D打印技术的研发并稳步推进其试点运行将成为积极应对3D打印技术浪潮袭来的应有之态度及举措。 关键词：3D打印技术，发展前景，态度对策 引言 众所周知，第一次工业革命和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明和电气化的使用为标志，以其强大的生产力解放为基础，深刻地改变了西方资本主义国家甚至整个世界的面貌，有力地推动了世界现代化的历史进程。显而易见，科学技术是第一生产力，更是当今世界格局下各国综合国力比较的核心指标之一，可以说，最新最前沿的科学技术的掌握和最早应用推广，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。那么，当下最值得关心注目的科学技术是什么呢？毫无争议，3D打印技术将占一重要席位且有愈演愈烈之势。 一、3D打印技术的扼要介绍 3D打印技术目前最为引人注目的当推3D打印机，鉴于此，本文将把3D打印机作为其技术典型来探讨。3D打印机诞生于20 世纪80 年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材( 胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D 实体。3D打印过程可分为两步，首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水，然后均匀喷洒粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，没有胶水的区域仍保持松散状态，重复这一过程直到实体模型被“打印”成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似，所以被称为“打印机”。[1] 二、3D打印技术的发展前景 3D打印技术的前景——这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。可以从以下四个方面来一窥其势,随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：（一）3D打印速度和效率将不断提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升;

3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响

第30卷第7期2013年7月 机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN Vol．30No．7 Jul．2013 3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响* 张楠，李飞 （河北科技大学艺术学院，河北石家庄050018） 摘要：3D打印技术的发展给未来的制造业带来了革命性变革;基于对新旧生产方式的对比，分析了3D打印技术对产品设计理念、细节、流程及产业模式所带来的影响:产品结构与造型的设计不再受到传统制造工艺束缚;独立设计师可依靠3D打印技术将自己的创意变成真实的产品，从而催生了大量独立设计师及设计品牌;设计的社会化趋势将会打破以往设计组织的僵硬的结构划分，消费者获得了自己设计、生产产品的权力。 关键词：3D打印;产品设计;增材制造;设计众包 中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：1001－2354（2013）07－0097－03 3D打印作为一种通俗化名称，其实质是增材制造技术。美国材料与试验协会将增材制造技术定义为：基于3D模型数据，采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程，通常通过电脑控制将材料逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为立体实物，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术［1］。相对于传统大型的增材制造设备，3D打印概念着重体现了其设备的小型化、智能化及个人化特征。经过近20年的探索，3D打印技术已经有了长足进步，在打印材料、精度、速度等方面都有较大幅度的提高。目前已经能够在0．01mm的单层厚度上实现600dpi 的精细分辨率。目前该技术可使用的材料种类非常丰富，以生物细胞为材料可打印出器官、骨骼；以沙子为材料可打印建筑；以玻璃为材料可打印玻璃制品；以金属为材料可打印机械零件等［2］。打印的材料从主流的高分子材料到金属、石料均可。截至2012年底，著名的3D打印成型公司Stratasys的产品已经可以支持123种不同材料进行3D打印。打印速度方面，垂直可达到25．4mm/h以上。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于制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面［3］。 13D打印技术对产品设计理念的影响 传统的产品设计是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的，这意味着消费者的差异性在设计过程中难以体现。为了追求大规模生产，消费者被假定为一模一样的人，个性需求被忽视了［4］。如鞋的尺码是这一设计方式的典型体现：以往的设计模式是让消费者千变万化的脚型与运动习惯去适应有限的尺码与型号，而3D打印技术则可根据消费者个人脚型、运动习惯设计出与其完全匹配的产品。3D打印技术使产品的个性化设计与生产成为可能。消费者可根据自身条件、喜好甚至不同的产品使用情景自行进行设计与生产。利用3D打印技术可以实现产品的量身定做，人们从产品千人一式转向十人一式、一人一式，以至于一人十式［1］，真正实现以人为本。 23D打印技术对产品细节设计的影响 增材制造是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术，其突出优势在于实现低成本、高效率、复杂结构的制造［5］。由于采用增式制造技术，相对于以往的减式生产方式，能够在产品造型、结构等方面做出革命性的创新。 2．1产品造型 工业设计师新的设计造型观必将随着时代、科技和人文艺术的发展而更新［6］。随着3D打印技术的发展与应用，产品的生产方式已不再成为设计师想象力的束缚。外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且浑然一体［7］。设计师能够专注于产品形态创意和功能创新，即所谓“设计即生产”。产品造型设计将呈现多元化趋势，在其技术属性、经济属性、美学属 *收稿日期：2013－03－21；修订日期：2013－07－01 作者简介：张楠（1976—），男，河北唐山人，讲师，硕士，研究方向：产品设计。

3D打印技术与产业的发展及前景分析

3 3D打印（3D Printing）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流。近一段时间，3D打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。英国《经济学人》杂志2011年2月刊载封面文章，对3D打印技术的发展作了介绍和展望，文章认为：3D打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。很多新闻媒体乐观地认为：3D打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。 1　3D打印技术简介 3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。 目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是医学领域具有重大意义的创新。 2　3D打印技术及产业国际国内发展现状 2.1　国际情况 经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。 目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems 和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。 3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最 3D 打印技术与产业的发展及前景分析 王雪莹 （上海市科学学研究所，上海 200235） 摘要： 3D 打印技术是一种新兴的快速成型技术，近一段时间以来受到了社会的广泛关注。文章对3D 打印的技术体系和国内外产业发展现状、发展态势作了综合介绍，以国际产业调查资料为依据对3D 打印领域未来的产业发展前景和技术发展趋势作了预见性分析，并对现阶段的3D 打印产业投资和技术研发提出建议。关键词： 3D 打印；快速成型；添加制造；智能制造中图分类号： TP751 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0003-032012年第26期（总第233期）NO.26.2012 （CumulativetyNO.233） 产业发展 I ndustrial Development