重庆大学3D打印技术及其应用和发展的研究.docx
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重庆大学3D打印技术及其应用和发展的研究
0引言
最近几年，无论国内还是国外都在谋求技术创新和经济战略的调整。
在此背景下，3D打印越来越成为一个令人瞩目的科技领域，并得到快速发展。
3D打印技术被认为是20年来世界制造技术领域的一次重大突破，它是产品快速开发和柔性制造技术的结合，其工艺过程简单、快速等特点，不仅符合客户对快速制造的要求，还能够满足社会日益变化的需求[1]。
3D打印技术拥有良好的发展前景和应用价值，它可以用于医疗行业、航空行业、快速原型、建筑设计、食品行业等，前景广阔且经济潜力巨大。
图0.1世界各国3D打印产值占世界总产值的比例
Fig.0.13DPrintingoutputvalueaccountedfortheproportionofworldoutput
13D打印概述
目前流行的3D打印技术又称作叠加成型技术或快速原型技术[2]。
它源于“快速成型技术”（Rapidprototyping,简称RP），基本原理都是叠层制造。
RP技术是当今世界飞速发展的制造技术之一，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆砌法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一项重大成果。
3D打印技术集机诫工程、CAD制图、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术于一身，可自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供一种高效益、低成本的实现手段。
1.13D打印基本概念
与传统的减法制造工序（通过对整块材料进行“裁剪”获取想要的形状）相反，3D打印技术是一种增材制造技术（AdditiveManufacturing），即通过叠加式制造工序，根据计算机数据，利用金属、塑料或其它材料逐层自动打印物品，因此也称作叠加成型技术或快速原型技术[3]。
3D打印机是应用3D打印技术来构造物品的设备。
3D打印机具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点。
图1.1利用3D打印制造的工艺产品
Fig.1.1Craftproductsmadeby3DPrintingmanufacture
1.23D打印基本原理
首先在电脑上设计一个完整的三维立体模型（也称为计算机辅助性设计），然后把胶体或粉末等打印材料装入打印机，再将打印机与电脑相连接，通过打印设备软件读取设计绘图数据，并将数据传输至3D打印机，从而控制印刷头的移动与材料输出。
在3D打印机工作时，塑性模型材料细丝与可溶性支撑材料将被加热至半液体状态，然后通过印刷头输出.精确地沉积成极其细微的分层，把打印材料和三维立体模型一层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物[4]。
印刷头只沿水平方向或垂直方向移动，模型与支撑材料将自下而上地构造。
在构造模型时，有了支撑材料的承托，模型的悬挂部分能够顺利完成材料沉积。
打印工作完成后，支撑材料将会自行溶解，还可以按照需要为模型图上颜色或者进行其他处理。
1.33D打印的特点
任何科学技术在发展阶段，自身都会有优点和缺点，在保持优点、跟新优点的同时，我们正确的认识到缺点，并对缺点加以改进。
1.3.13D打印所具有的优点
（1）制造快速
3D打印技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小特异形的产品尤其适用[5]。
（2）CAD/CAM技术的集成
快速成型技术集成CAD/CAM激光技术、数控技术、化工材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。
（3）完全再现三维效果
经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面,还是内腔的异形孔都可以真实准确的完成造型,不再需要再借助外部设备进行修复。
（4）材料种类繁多
到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多树脂，尼龙，塑料，石蜡纸以及金属或陶瓷的粉末，能满足绝大多数产品对材料的机械性能需求。
（5）创造显著的经济效益
与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也消除了修改模具的问题，创造的经济效益十分明显。
（6）应用行业领域广
3D打印技术经过这些年来的发展，在技术上已形成了一套体系，同样可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造材料工程医学研究文化艺术建筑工程等等都逐渐的使用3D打印技术，使得3D打印技术有着广阔的前景[6]。
（7）节省原材料和人工
由于采用“添加制造技术”，它的用料只有原来的1/3到1/2，打印速度却快4倍。
同时因省去生产线和一部分组装过程，可降低人工成本。
（8）是可以制作形态各异的物品
理论上，只要计算机可以设计出的造型，3D打印机都可以打印出来。
表格1.1传统制造方式和3D打印技术的对比
Fig.1.2Thecontrastoftraditionalmanufacturingmodeand3dprinting
1.3.23D打印的缺点
（1）3D打印技术具有局限性，具体主要体现在材料上，目前打印材料主要只有塑料、树脂和金属，骨骼等有机原料。
（2）3D打印对于生产结构复杂、材料昂贵、传统工艺实现难度大的产品，有着成本低、流程简单、重复性好、实现周期短的优势。
但是其本身也有一些局限性，如目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，必须经过表面机械加工才能作为最终使用的零件，由于复杂管路和腔体的内表面形成后难以再进行机械加工，因此管路流动效率等方面不一定能满足实际需要。
（3）此外，对于一些有特殊机械性能要求（如弹簧、紧固件）或表面光洁度要求较高的产品，3D打印产品的质量和可靠性还有待改善和验证。
（4）今后除需要继续突破材料种类和性能的限制、完善3D打印技术和装备能力外，还需要加强相关标准与规范的研究制订[7]。
（5）现在仍然缺乏武器装备零部件采用3D打印技术生产的种类和技术可行性，应深入开展相应的工艺条件研究与产品可靠性、环境适应性验证，积累丰富的数据和经验，让3D打印技术为武器装备的研制生产带来更大的效益。
1.43D打印技术所包括主流技术
RP技术以其高集成、高柔性、高速性而得到了迅速发展。
目前支持3D打印的主流相关技术有[8]：
（1）3D打印成型技术
使用标准喷墨打印技术，将液态连接体铺在粉末薄层上，逐层创建各部件。
此技术在打印成型过程中不需要使用实体或附加支持，并且所有未使用的材料都可再利用，所开发的3D打印成型机具有处理速度快、成本低廉以及应用范围广的特点。
图1.33D打印机
Fig.1.3Akindof3Dprinter
（2）光固化成型法
以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状界面轨迹，使液体树脂固化，层层叠加，最终得到一个三维实体模型。
特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制造出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。
缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性，不符合绿色制造发展趋势。
图1.4光固化成型法
Fig.1.4StereolithographyApparatus
（3）分层实体制造法
或称为叠层实体制造，是根据零件分层集合信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。
特点是工作可靠、模型支撑性好、成本低、效率高，缺点是前、后期处理费时费力，且不能制造中空结构件。
图1.5分层实体制造法
Fig.1.5LaminatedObjectManufacturing
（4）选择性激光烧结法
常采用金属、陶瓷,AS塑料凳材料的粉末作为成型材料。
特点是材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件，造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或进行装配模拟。
图1.6选择性激光烧结法
Fig.1.6SelectiveLaserSintering
（5）助熔融沉积制造法
又称为熔丝沉积制造，是以热塑性成型材料丝为材料，逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。
以上是一些目前市场上主流的3D打印技术，除上述技术外，一些大的3D打印公司在它们的基础上也研发了其他3D打印技术。
23D打印技术的发展概述
2.1发展历史
19世纪末美国有人研究出了地貌成形技术，形成了利用“层叠成形”的方法去制作地形图的构想，这是3D打印技术设想的来源之一[9]。
真正的3D打印技术，学界一般认为开端于20世纪80年代的美国和日本。
1977年，美国的Swainson提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法来直接制造立体模型产品。
1979年，日本的中川威雄利用“层叠成形”的薄膜技术方法加工出实用的工具模具。
1981年，美国的HideoKodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系统的设计方案[10]。
1986年，3DSystems公司成立，开发出里程碑式的STL文件，并于1988年成功研制出世界首台商用3D打印机SLA-250。
Scottcrump也于1988年发明了另一种3D打印技术FDM，并创建了Stratasys公司，于1992年研制出第一台FDM技术的3D打印机[11]。
2.23D打印技术在发达国家的发展现状
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[12]。
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[13]。
2.33D打印技术在国内的发展现状
我国3D打印技术的发展已有20多年，与世界上其他发达国家相比，晚10余年的发展时间[14]。
现阶段我国的3D打印技术与其他发达国家的3D打印技术水平还有差距。
虽然我国的3D打印技术已经能与发达国家的3D打印技术同步，但是制造产业仍处于开始阶段，与发达国家存在的差距，主要是还没有建立一套较为完整的发展产业体系，核心技术也需要加大开发力度，政府也需要加大资金、政策的扶持力度。
为了使3D打印技术能够得到更好的开发利用，我国政府研究后已经推出一系列政策，推进我国增材制造产业的发展，要求将增材制造产业作为我国产业结构升级的重要任务。
在《中国制造2025》规划纲要中，对3D打印有了明确要求，由此我们可以看出政府对3D打印技术应用以及发展的重视[15]。
2.43D打印技术自身还存在的缺陷
（1）精度和价格
现在3D打印技术的精度约为0.1mm，而且3D打印机本身的售价偏高，不过随着技术的进步和成本的降低，一台普通3D打印机的成本有望比激光打印机还要低。
（2）生物3D打印机面临的挑战
其中之一是其打印出的器官如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难于实现，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内生物打印技术将成为一项标准技术。
（3）打印材料面临的挑战
要实现3D打印技术的大规模使用还有不少挑战，首先是打印材料，它根据打印商品的不同，需要各种特殊种类的金属塑料以及陶瓷等成本比较高。
（4）3D打印机缺乏标准
同一个3D模型给不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。
此外，打印原材料也缺乏标准，目前3D打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定的收入。
这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3D打印机生产商所用的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产商很难进入，研发成本和供货风险都很大，难以形成产业链。
表面上是3D打印机捆绑了3D打印材料，事实上却是材料捆绑了打印机，非常不利于降低成本和抵抗风险[16]。
2.53D打印技术未来的发展趋势
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打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。
未来3D打印技术的发展大致有以下方向：
（1）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。
（2）开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点。
（3）3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求。
（4）软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造。
（5）拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。
33D打印的在各个领域的应用
目前，虽然对于产品开发和制造来说，3D打印技术能够带来无限的可能性，但是大部分的技术应用主要分成概念模型、功能原型、工具制造、制成品四类。
随着技术的发展，3D打印的应用领域在不断扩展。
（1）医学领域
目前研发出的新型材料非常适合3D打印植人手术导板和口腔输送盘。
科学家利用3D打印技术成功地研制了人造血管，用3D打印骨骼、器官模型的技术已经很成熟。
（2）工业领域
现代工业中，很多产品如手机、汽车、飞机等在新产品推出之前要做很多模型和零部件。
基于3D打印技术的快速成型，可以大大减少前期研发的时间，被越来越多的工业领域所应用。
（3）个性化领域
随着3D技术的发展,3D打印可以打印各种各样的日常小模型，设备的体积却可以很小。
（4）航空航天领域
美国宇航局完成了“添加制造仪器”的测试，该仪器就是利用3D打印技术在太空打印宇航员所需要的模型。
这是NASA对太空按需生产能力的投资，使得3D打印机可以广泛运用于建造空间站部件，制造航天员使用的工具、卫星甚至航天器等。
未来在太空利用正在制造的打印机可以打印出太空所需三分之一的零部件。
（5）助军事领域
3D打印技术应用到军事领域，一方面可在军事装备开发阶段获取设计的即时反馈信息，有助于降低成本和提高战技性能；另一方面还可以帮助使用维修人员利用三维模型和3D打印设备，现场快速生产原型产品（包括工具、零配件等），解决平时维修和战时抢修中可能出现备件携带不足、备件不易购买、再造周期较长、特殊备件成本太高等问题，提高维修效率，减轻后勤保障压力，增强部队的任务持续能力[17]。
（6）文物保护
博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。
最近史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。
（7）建筑设计
在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。
完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。
（8）产品原型
比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。
制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。
而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至会优化质量控制的问题。
（9）食品产业
目前3D打印的视频已经进入市场，随着3D打印技术的全面推广和发展，生产效率将会大幅度提升，食品不仅会变得健康,而且物美价廉。
比如3D打印做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉。
美国已成立了“鲜肉3D打印技术公司”，希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品；德国最近推出了一种3D打印食品，以解决老人的进食困难问题，为进食困难的老年人带来福音。
这种食物很容易咀嚼和吞咽，很可能成为老人护理行业的革新者；国内利用3D打印技术做出色彩缤纷的个性化饼干，受到市场的欢迎。
图3.13D打印技术在各行业的应用比例
Fig.3.1Applicationof3dprintingtechnologyinindustries
43D打印技术带来的争议和思考
4.13D打印技术涉及的道德和法律问题
（1）涉及知识产权问题
3D打印是快速制造，不需要模具，直接样品原型制造和传统的大工厂制造模式相比，从图纸到实物之间跨过了很多步骤，任何形状复杂的东西，都可以被分解为一系列二维制造的叠加，3D打印技术有着其他打印技术不可比拟的优势，3D打印技术是一门新兴的技术，法律对其知识产权问题尚未作出明确界定，但其涉及的知识产权问题将更为突出，而且要比单纯的抄袭专利或版权严重得多[18]。
（2）危害社会安全问题
从理论上来说3D打印无所不能，在现实中，已经有人用3D打印机打印出可以射出子弹的“AK47”突击步枪，这项技术是由25岁的德州大学学生科迪·威尔森（CodyWilson）所发明的，他的团队设计了各种型号枪支的设计图，并且能在网上直接下载，这样一来就可以直接用3D打印机打印出枪支，并且枪支装上子弹就能够使用，在不久的将来，人类可以实现一个在桌面上就可以打印的武器基地，只要电脑和3D打印机的存在，无论孩童还是成年人都可以随时制造武器，枪支泛滥会使社会安全问题成为一个重大问题。
（3）社会经济犯罪问题
3D打印技术在理论上可以打印人类所需要的任何东西，人类的想象力有多大，3D打印的用途就有多广，如果犯罪分子用3D打印景区门票，电影票，甚至人民币纸币，那么对社会经济的发展会产生巨大影响，经济犯罪将成为上升趋势，容易被防造，但没有相对的法律、法规对此行为作出裁定。
（4）税务问题
过去税务局海关对交易征税都是基于商品的价值。
如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和耗材，从网上下载设计文件，自行打印出所需的物品，那么传统的征税模式将难以为继，未来的税基将很可能从增值税消费税转向个人所得税和营业税。
（5）法律法规未能即使跟进问题
包括知识产权、公共安全、经济犯罪等方面面临新的挑战。
随着3D打印热潮的逐渐兴起，我国的3D打印产业也开始逐步发展，目前，在相关有利的条件的影响下，国内风投业开始介入3D打印产业。
任何科学技术的发展都具有两面性，3D打印技术也不例外，除了它所具有的技术优势，3D打印技术也带来了诸多的社会问题。
（6）3D打印技术的出现会导致某些传统行业的萎缩或消失
例如，三维打印技术给物流公司带来的威胁是显而易见的，当客户能够在需求产品的地方打印出急需的零部件时，将不会运用航空急运的方式缓解燃眉之急。
而航空运输业的很大一块市场可能将会消失[19]。
4.23D打印技术带来的思考
3D打印技术考验着人们的伦理道德。
试想3D打印技术的发展，可以制造枪支、扰乱经济给社会造成极大的危害，如果我们不能把3D打印技术用在推动人类社会向前发展上，那后果不可想象。
所以，我们要正确认识和应用3D打印给社会可能带来的负面影响，加强对科研人员的教育，提高科研人员的社会责任。
53D打印技术在中国产业化面临的问题和建议
5.13D打印技术在中国产业化面临的问题
（1）技术瓶颈
技术上的瓶颈困难这也是国外3D打印技术面临的共同难题，国内表现得更加突出。
目前，3D打印技术在工艺稳定性、加工精度、重复加工的效果一致性方面，与传统加工制造技术相比还有一定差距。
3D打印技术在支撑工艺、激光扫描算法程序、复杂数据处理、RPM软件标准化和二次开发等方面，也存在许多不足。
由于受到3D打印技术设备自身的体积限制，加工产品的尺寸大小也受到很大局限。
许多3D打印技术设备对加工材料的质量特性要求过高，限制了其应用的领域范围[18]。
（2）3D打印材料的局限
目前3D打印技术使用的材料达到300余种，但相对于广泛的应用领域仍显十分不足。
3D打印使用的材料主要有三大类：
金属材料、高分子材料、无机非金属材料。
中国在3D打印材料的研发和生产方面处于劣势。
目前国内专门从事3D打印材料专业化生产的企业不多，主要依赖于进口。
3D打印材料的专用性非常强，不同类型的3D打印技术设备对材料的密度、颗粒分布、氧含量要求等等都不相同，常常是与特定公司的特定型号3D打印设备捆绑销售。
国内使用的多数3D打印材料就是由3D打印设备制造公司直接提供，只能依靠进口。
进口依赖导致成型材料领域利润非常高，多数关键材料都被美国公司所垄断。
（3）技术应用成本过高
制约中国3D打印技术产业化的重要因素之一是应用成本居高不下。
尽管3D打印技术应用减少了切削、模具、成型、组装等方面的制造成本，却增加软件、设计、材料、服务等环节的成本，其中材料成本的影响作用较大。
由于中国3D打印技术企业生产规模不大，3D打印技术设备售价很高，限制了中企业和私人用市场的扩展。
少数的大企业如军工、航天、医疗、科研等方面的应用，可以消化材料的高成本，其他的大多数用户却很难承受3D打印应用成本代价。
5.23D打印技术在中国产业化的建议
5.2.1客观的看待3D打印技术
目前阶段3D打印技术与产业的定位尽管3D打印技术具有革命性和优越性，但不能过于乐观地高估其产业功能地位，它并不能完全替代传统制造技术。
传统制造技术与3D打印技术各具优势，这二者是一种对立统一的互补关系[20]。
3D打印技术在批量化、高精度、低成本、大尺寸生产产品等方面有局限，更为关键的是3D打印技术的材料还只能依靠传统制造技术来生产。
目前，各种3D打印技术设备仍然依靠传统制造技术来制造，即3D打印技术设备还不能完全通过3D打印技术来制造。
我国在制定相关政策时要抓住3D打印技术产业同传统制造技术产业之间的关联处，才能使相对处于弱势的3D打印技术产业，借助传统制造技术产业的市场优势而逐步壮大[21]。
5.2.2建立3D打印产学研相结合的组织
3D打印技术的上游开发研制仍然是关键性的前提，是加快3D打印技术产业化的措施。
3D打印技术产业化的主体是还是企业公司，建立以企业为基础的产、学、研协同中心，是推进和加快3D打印技术产业化的不可缺少的步骤[22]。
3D打印技术的最终应用者还是企业和个人用户。
然而我国目前在3D打印技术领域研究领先的单位是一些高校和研究所，而企业相对不多。
因此，政府各部门应加强对3D打印技术的上下游的产、学、研、用相结合的组织与合作，才能最大限度的推进3D打印技术的发展。
5.2.3一整条产业链的各环节合作研制生产3D打印材料
目前的3D打印材料往往是专门为特定的3D打印技术设备服务的，而且生产3D打印材料的企业仍然是传统制造企业。
我国解决3D打印材料困境，必须采取3D打印技术产业上下游通力合作研制生产的模式，包括产学研协同创新[23]。
3D打印材料对精细度、专用性、标准性和可靠性等要求比较高，只
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