改变世界的3d打印技术.docx

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改变世界的3d打印技术

改变世界的3D打印技术

摘要：

3D打印技术是一种曾材料型的革命性新兴制造技术。

文章对3D打印技术的基本原理，国内外发展状况以及发展前景和趋势作了综合介绍，并简明阐述了发展3D打印产业对我国发展的意义。

同时对当前3D打印技术和产业的发展的优势和缺点进行了介绍。

关键字：

3D打印技术材料数字化制造

一、3D打印技术的概念及基本原理

3D打印技术是先进制造技术领域正在飞速发展的一项新兴技术。

2012年的英国《经济学人》杂志称其为“第三次工业革命的重要标志”。

将成为未来改造世界的创造性和革命性的技术。

3D打印技术是添加制造技术的一种形式，它采用分层加工、叠加成形。

即通过逐层增加材料来生成3D实体。

其中3D打印机是其核心。

3D打印技术是一种综合性的应用技术，它综合了数学建模、机电控制、信心技术、材料科学与化学等多学科技术。

三维建模时3D打印最基本的前提，三维建模的质量就直接决定了3D打印模型的质量。

CAD等矢量建模软件可以实现三维建模。

3D打印首先将建立的三维模型进行分割。

将模型分割成一层一层很薄的薄片，薄片的厚度一般为几十微米到几百微米不等。

软件完成分割工序后，3D打印机可进行喷墨打印。

每一层的打印分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，然后在胶水上均匀的喷洒一层粉末，粉末遇到胶水会迅速固化粘结。

这样，在一层胶水一层粉末的交替下，三维实体模型将会被粘结成形。

打印完成后，需要对实体模型进行后处理，例如固化处理、剥离、，模型的修整，最终得到所需的模型。

二、3D打印技术的国内外发展现状

 1、国际情况

经过近20年的研究和发展3D打印技术有了很大的进步。

随着3D打印机的处理能力不断提升他能处理的原材料更多了，包括用于生产的塑料、金属以及述职等。

3D打印机开始更多的的被用来生产成品。

在制造精度方面，国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速度，并可实现24位色彩的打印。

目前，全球3D打印行业有较强的技术实力和特色的企业和研发团队游美国3DSystems、Stratasys、Fab@Home和Shapeways;英国的Reprap公司等。

在欧美发达国家们3D打印技术已经初步形成成功的商业模式。

在消费电子业、航空业和汽车制造等领域，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。

当前，国际上3D打印技术正在飞速发展阶段，国际3D打印机制造业迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正加速崛起。

表13D打印领国际主要企业和研发团队的技术特色

企业和团队

技术优势和特色

3DSystems

分辨率高达600dpi，成型尺寸较大，可整体打印超大模型；

全彩3D打印技术、熔融材料高分辨选择性逐层喷射技术；

工艺经济性、方便性较高。

Stratasys

FDM（熔融沉积成型）技术、逐层喷射，光固化技术等；

精细度高，能够建立光滑表面、细小特征和复杂形状，能够喷射第二种材料为所需形状建立支撑。

Fab@Home

低价家用打印机；

开源的建议3D打印设计方案

Shapeways

包括塑料、陶瓷在内的多种材质打印；

在线diy设计打印服务。

Reprap

可自身复制的3D打印机；

开源的软硬件技术资料

2、国内情况

20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自助研发。

其中取得较大研究成果的主要有：

清华大学的现代成型学理论、分层是制造、FDM工艺等方面；华中科技大学的分层实体制造方面，推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度可达到0.2mm；中国科技大学自行研制的八喷头组合喷射装置，有望在位制造，光电器件领域得到应用。

但是，从总体来看国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大的差距。

近年来，国内如深圳维尔泰克、南京紫金利德、北京殷华、江苏敦超等企业已经实现3D打印机的整体生产和销售。

这些企业都是由海外归国团队建立，规模家哦次奥，产品技术与过欧威厂商同类产品相比尚处于低端。

目前，国产的3D打印机在打印精度，打印速度，打印尺寸和软件支持方面还难以满足商用的要求，技术水平还比较低，还需进一步提升。

我国东部发达城市已普遍有企业应用进口的3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其范围涉及模具制作、样品制作、辅助涉及、文物复原等多个领域。

与内地相比，我国港台地区3D打印技术引进起步较早应用更广泛，但是港台地区主要着重也技术应用，自主研发相对较少。

三、3D打印技术的优势与劣势

1、3D打印的十大优势

来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。

⑴制造复杂物品不增加成本。

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。

对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。

制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。

⑵产品多样化不增加成本。

一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。

传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。

3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

⑶无须组装。

3D打印能使部件一体化成型。

传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。

产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。

3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。

省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。

供应链越短，污染也越少。

⑷零时间交付。

3D打印机可以按需打印。

即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。

如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

⑸设计空间无限。

传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。

例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。

3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

⑹零技能制造。

传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。

批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。

3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。

非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。

⑺不占空间、便携制造。

就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。

例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。

3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。

较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。

⑻减少废弃副产品。

与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。

传统金属加工的浪费量惊人，90％的金属原材料被丢弃在工厂车间里。

3D打印制造金属时浪费量减少。

随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

⑼材料无限组合。

对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。

随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。

以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。

⑽精确的实体复制。

数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。

未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。

扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

表23D打印和传统制造业比较一览表

项目

3D打印技术

传统的制造业

对模具的要求

无需模具便能成型

需要模具

产品生产方式

直接打印

机械制造

制造类型

增量制造

减量制造

成本

可降低90%

高

准确性

准确性可以确保

准确性可以保证

生产周期

短

长

2、3D打印的五大缺点

   和所有新技术一样，3D打印技术也有着自己的缺点，它们会成为3D打印技术发展路上的绊脚石，从而影响它成长的速度。

3D打印也许真的可能给世界带来一些改变，但如果想成为市场的主流，就要克服种种担忧和可能产生的负面影响。

⑴材料的限制。

仔细观察你周围的一些物品和设备，你就会发现3D打印的第一个绊脚石，那就是所需材料的限制。

虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。

另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。

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3D打印的一大障碍。

⑵机器的限制。

众所周知，3D打印要成为主流技术（作为一种消耗大的技术），它对机器的要求也是不低的，其复杂性也可想而知。

目前的3D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3D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。

⑶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。

3D打印技术毫无疑问也会涉及到这一问题，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3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是我们面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。

⑷道德的挑战。

道德是底线。

什么样的东西会违反道德规律，我们是很难界定的，如果有人打印出生物器官或者活体组织，是否有违道德?

我们又改如何处理呢?

如果无法尽快找到解决方法，相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

⑸花费的承担。

3D打印技术需要承担的花费是高昂的，对于普通大众来说更是如此。

例如上面提到第一台在京东上架的3D打印机的售价为1万5，又有多少人愿意花费这个价钱来尝试这种新技术呢?

也许只有爱好者们吧。

如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。

如何解决这个问题，制造商们估计要头疼了。

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3D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。

四、3D打印产业的发展前景和趋势

1、发展前景

根据国际快讯制造业权威报告《WohlersReport2011》发布的调查结果，全球3D产业产值在1988—2010年间保持着26.2%的年句增长速度，预计到2016年，包含设备和服务在内的产业总产值将达到31亿美元。

3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍然多方面的技术瓶颈和挑战：

一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，这使得进一步普及该技术带来了困难。

二是材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性交差，并且安全方面也存在隐患。

三是精度、速度和效率方面，目前3D打印的成品的精度还不太高，效率也较低，不适合大规模的生产需求。

受打印机原理的制约，打印精度和速度之间存在严重冲突。

四是产业环境方面，3D打印技术的普及将是产品更容易被复制和扩散。

3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。

总之，从长远来看3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不要过分估高。

一次现阶段产业界对3D打印领域的投入应该以加强创新研发，技术引进和储备为主，尤其要重视自助只是产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。

如果受到概念炒作的影响，在技术尚未完全成熟的阶段就大规模的投入产能扩展，则投紫回报将面临较大的风险。

2、未来趋势

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等的不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。

未来3D打印技术的发展将朝着精密化、智能化、通用化以及便捷化的方向发展。

提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能阶梯材料、纳米材料、非均匀材料以及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术会成为今后研究与应用的一个重点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本低廉化，操作便捷化，以适应分布化生产、设计与制造一体化的需求和家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，是设计软件和生产控制软件能够无缝连接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在航空、生物医学、建筑、车辆、服装等多行业领域的创造性应用。

五、发展3D打印产业对我国的发展具有重要的战略意义

当前，全球正在兴起新一轮的数字化制造浪潮。

智能机器人、人工智能、3D打印技术，是实现数字化制造的关键技术。

虽然3D打印等数字化制造的核心技术仍然处于发展初级阶段，产业还不成熟，但在产品设计、复杂和特殊产品生产、个性化服务等方面已显示其独特优势。

所以我们应该充分重视智能化、数字化对我国的深刻影响，加快3D打印产业的发展，推动我国有“工业大国”向“工业强国”转变。

1、3D打印产业可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力

传统的工业产品开发方法往往是先做模具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需模具，就可以把制造时间降低为以前的1/10到1/5，费用降低到1/3以下。

一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可以利用3D打印技术短时间内制造出来，从而极大地促进产品的创新设计，能够有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。

2、发展3D打印产业，可生产出复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关

3D打印技术可为基础科学的研究提供重要的技术支持。

在航天、航空、大型武器等装备制造业，零部件种类多、性能要求高，需要进行反复测试。

运用3D打印技术，既在研制速度上具有优势，还可以直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的赶超。

在生命科学的研究和应用中，3D打印以“细胞打印”、“仿生定制”等形式出现，把标准化、自动化的机械加工业生产方式，应用到生物工程、生物制药和临床医学等领域，已取得丰硕成果。

以生物组织为原材料的制造业，有望成为高端制造业的重要组成部分。

发展3D打印技术，将促进我国在生物能源开发利用、生物和化学药剂试验、

人体组织和器官再造等领域取得技术进步。

3、发展3D打印产业，可形成新的经济增长点，促进就业

随着3D打印技术的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。

3D打印技术与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。

如，自主创业者可通过购置或租赁低成本的3D打印设备（一些3D打印设备已低于1万元），利用电子商务等平台，为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装饰品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造产业，并增加社会就业。

参考文献

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