(一)组织工程材料快速成型技术

21世纪以来，生物医学工程已逐渐成为最重要的科学研究热点，目前全球瞩目的科学前沿研究对象是人体器官的人工替代、生命体的人工合成等。其中，在生命体的人工合成当中，生命体中的细胞载体框架结构是一种特殊的结构框架。从制造角度看，它是由纳米级材料构成的、非常精细的、复杂非均质的多孔结构，因此这是传统加工制造技术无法完成的结构，只能借鉴快速成型技术才能完成此项工作，即借助离散与堆积的快速成型原理与制造技术，在计算机控制下，精确地成型出细胞载体的框架结构，以获得达到强度与表面质量要求的成型制件。

目前，应用于康复工程与治疗学生物实体模型的快速成型制造是研究的热点之一。组织工程材料以及快速成型技术是目前国际上的研究热点。清华大学、西安交通大学也积极开展了这方面的研究工作。组织工程材料的快速成型可分为以下三个研究阶段：初级体外模型、中级植入体和高级人体器官。其中，初级体外模型及中级植入体对成型材料的生物相容性要求较低，高级人体器官则要求成型材料须具备生物可降解性和生物相容性，通常材料中要加入人骨的生长因子。

1.人工生物活性骨骼成型技术 随着现代医疗事业与RP技术的发展，一些高新技术的人造器官为人类的健康带来了福音。人造软骨、人造骨骼、人造肾脏、人造皮肤甚至人造心脏等，几乎所有的人体器官都是医学界研究的方向。在人造骨骼的研究领域，以往采用传统的加工制造方法所制造的人造骨骼生产周期长、种类少，并且大小与形状不完全符合患者的实际情况，因此修复效果较不理想，而且有些人造骨骼内部微孔的大小、数量、分布、形状等因素不可控制，严重时会限制组织液的渗透和骨细胞长入材料内部，使得人造骨骼在临床上的应用受到很大限制。

近期，西安交通大学对快速成型技术在医学领域，尤其是在人工骨骼的制造方面进行了积极的探索。西安交通大学与第四军医大学正在合作进行基于气压式熔融沉积快速成型技术的人工生物活性骨骼的研究。该方法最突出的特点是微孔的数量、大小、分布及形状可受人工影响和控制，可以将人骨的生长因子在成型过程中进行复合植入，在很大程度上解决了医学上急需解决的难题。

2.气压式熔融沉积快速成型技术 生物活性骨骼制造对快速成型设备的基本要求是：精度要高，出丝细且均匀、连续，保证成型的骨骼内孔三维网状骨架均匀与连续。针对以上要求，西安交通大学研发出基于FDM工艺原理的气压式熔融沉积快速成型系统。该系统大致的工作原理是：将低黏性材料加热到一定温度，再经压缩系统由喷头挤出覆盖在工作台面上；喷头按当前层面的几何轮廓形状进行扫描与堆积；逐层沉积的同时进行凝固；工作台在计算机系统的控制下进行X、Y、Z三个方向的运动；当在X-Y平面上加工完一层后，工作台的Z轴就会向下降一个层厚。如此循环往复，最终逐层堆积出三维实体模型。

(二)聚合物材料快速成型技术

通常情况下，商业用快速成型制件的大部分都是由聚合物或低聚合物材料加工制成的，聚合物材料的性能直接影响着快速成型制件的精度和质量。聚合物材料可分为反应型和非反应型聚合物。其中，反应型聚合物属于热固性材料，主要应用在SLA技术当中，在紫外激光的作用下迅速固化；非反应型聚合物被加热至熔融后冷却并迅速固化，主要应用在FDM、SLS技术当中。

与金属和无机材料相比，聚合物材料熔融黏度高，其力学性能、流变性、相对分子质量、化学反应及收缩精度等因素对成型性能有一定的影响，因此在选用聚合物材料进行快速成型制造时，可根据快速制造技术的特点及要求对该聚合物材料性能进行调整和优化。

(三)复合材料快速成型技术

1.高分子复合材料 有机高分子复合材料的最大特点是熔点低、密度小且熔融状态下具有一定的黏性而不需另加粘结剂，故适合作为RP技术用材料。另外，有机高分子复合材料的缺点是机械强度较低，因此为提高高分子复合材料的机械强度，须加入一些增强材料。近期，日本正研究纤维增强复合材料构件的制造，相信此项技术将是今后RP技术发展的一大趋势。(www.daowen.com)

2.陶瓷复合材料 陶瓷复合材料由陶瓷粉、固化剂和粘结剂组成，将这几种材料混合后注入快速成型母模即可固化成陶瓷模。陶瓷复合材料的最大特点是硬度及工作温度高，因此可用于复制高温模具。

表3-9列出了某种陶瓷复合材料的性能。

表3-9 某种陶瓷复合材料的性能

陶瓷制品的工艺过程都须经过高温烧结工序，但其制坯过程可在常温下进行。近期，美国已研发出一种单列向心球轴承，它是由高温下工作的复合陶瓷材料所制成，其精度等级可达到E级。采用Al₂ O₃与SnO₂纳米复合陶瓷的烧结工艺也得到很大改善，烧结温度较以前也有所降低。因此，采用RP技术，有可能制作出具有特殊功能与形状的各类高级陶瓷制品。

3.金属基复合材料 常用的金属基复合材料是由以下几种材料复合而成的：金属粉(如铝粉、钢粉)、固化剂、粘结剂(如环氧树脂)。金属基复合材料的特点是硬度高且工作温度较高，因此可用于复制高温模具。例如，一种铝基复合材料由铝粉、树脂和固化剂组成，在室温下三种材料共混后约经过16h能完全硬化。它的性能见表3-10。

表3-10 铝基复合材料的性能

此外，快速成型技术可以与复合材料新的二维及三维技术相结合，可实现复合材料全自动化与快速制造的目标。目前，各国正在研究实现高性能结构件的制造工艺。另外，直接加工成型高分子复合材料、陶瓷、金属等零件也是适应当前社会各制造领域的单件或小批量生产的最理想的加工制造模式。