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3D打印论文

摘要………………………………………………………………………………Ⅰ

引言……（宋体小四）……………………………………………………………1

一、××××××××××……………（宋体小四）………………………………2

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致谢…（宋体小四）……………………………………………………………17

参考文献……（宋体小四）…………………………………………………………18

3D打印及其发展影响

[摘要]3D打印是一种新兴的快速成型技术，近年来广泛传播，备受关注，被誉为“第三次工业革命”核心技术。

本文介绍了3D打印原理，深入说明了现阶段3D打印还存在技术不成熟、精度不高、材料受限、消费高等不足问题。

但随着3D打印技术的快速发展，它势必对很多行业领域有所冲击，特别是医疗界、食品行业、传统机械加工和模具等必定会受到很大的影响。

[关键词]3D打印快速成型技术限制影响

引言

从3D打印技术诞生于20世纪80年代后期至今，3D打印技术越来越成熟，被誉为“第三次工业革命”核心技术。

特别是近两年，国内开始兴起3D打印热潮，开始了一些关于3D打印研究。

如今，国内也有3D打印机生产企业，淘宝也开始售卖3D打印产品。

就在本月，南京3D打印研究院通过自主研发的3D食品打印机成功打印出集艺术与口感于一体的巧克力。

为了扩大3D打印技术的影响，为了让更多的人了解3D打印最新研究状况以及未来对某些行业的影响，故撰写此文供大家阅读。

本文首先对简单介绍了3D打印以及其原理，再分析现身的不足之处，最后在能克服其自身不足的情况下分析了3D打印对各行业的影响。

受材料等主要因素的影响，3D打印技术目前存在在很多不足和发展限制，故3D打印的魅力就在于其受到的限制，一旦3D打印技术冲破了这些限制，其潜力也就爆发出来。

一、3D打印简介

3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

通俗点讲，3D打印是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造任意形状，根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。

3D打印，作为一项综合性应用技术较强的还不太成熟的技术，它综合了机电控制技术、材料科学与化学技术、信息技术、数字建模等多多方面前沿技术，科技含量高。

3D打印机，作为3D打印打印的核心设备，集机械、控制及计算机等为一体，由数控系统、成型环境和高精度机械系统等组成。

目前，3D打印技术主要应用于产品模型、艺术创作等领域，由于技术和材料等一系列条件的限制，3D打印技术还为完全进军机械和医学等行业，随着技术的完善和材料的研发，3D打印必定会以第三次工业革命的领军角色掀起革命热潮。

二、3D打印原理

3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。

3、目前3D打印的不足

（1）、技术不成熟

从2010年出现商业3D打印机至今，3D打印技术越见成熟，目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等，但3D打印技术还没有达到完全成熟阶段。

很多快速成型技术有待研发，现有技术有待完善。

例如SLS粉体成型之优点是硬度高，但是韧性只有注塑件的十分之一。

其次，目前3D打印机打印的产品有一定的整体大小限制并且3D打印机打印产品起连接作用的零部件有一定的厚度限制，当其厚度小到无法承受内应力时，连接部分便会断裂。

最后，3D打印技术的推广应用不广泛也是其技术不成熟的表现之一。

只有少数企业少数人才掌握了这项新生技术，导致其3D打印的研发工作很难比较全面展开。

（2）、精度有待提高

3D打印以“每层叠加”为加工方式，这对打印设备的精准度和稳定性要求极高，一旦有一层出现问题，整个产品就会变形。

美国Solidscape公司是全球最大的3D打印技术服务商Stratasys旗下子公司，是全球最高精度3D打印机制造商。

其拥有全球最高精度的3d打印机Solidscape。

Solidscape最小层厚可以达到6.3μm，表面精度达到0.81μm，分辨率达到5000*5000*8000dpi。

该达到全球最高精度和独有的特性3D打印产品，可以100%实现铸造。

但高精度3D打印机只存在于实验产品中，还为完全推出，目前普遍存在于市场的3D打印机的精度只有0.1mm，很难满足某些饰品的精度需求。

（3）、材料受到限制

用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、丝化、粉末化，打印后又能重新结合起来，材料工艺要求极高，现有3D打印材料种类较少，故限制了3D打印技术的应用推广。

虽然现有各种颜色原材料以丰富产品外观，但依然无透明材料满足产品视觉要求。

另外材料的性能要求远远满足不了某些产品的需要，例如航空零配件，即使能够打印出该零配件，但因为材料原因，所得产品的性能远远达不到航空要求。

快速成型材料基本上可以分为高分子材料和金属材料两大类，高分子材料如光敏树脂、ABS、PC、尼龙粉、石膏粉、蜡等，是目前主流的快速成型材料。

金属材料受快速成型工艺的局限及材料本身的限制，应用并不广泛；未来，金属材料可能会在应用中体现它的优势，可能会有更多的金属加工工艺及金属材料出现。

（4）、3D打印消费高

如前面所说，用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、丝化、粉末化，打印后又能重新结合起来，材料工艺要求极高，故材料成本很高。

相关数据表明，打印一个一次性纸杯大小的产品，整个耗材价格达到100到200元，一般消费者难以承受，从材料成本角度看，3D打印产品难以替代现规模经济生产方式下的产品。

目前，全球还为形成比较完成的3包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理及创意服务和应用的相关产业链，能够完成相关服务的企业少之又少！

有能力生产3D打印机和3D打印的原材料的企业相对较少，故得花费巨资购进3D打印机和相关材料，但因为设备技术不太成熟，3D打印机罢工成了常有事情，维修3D打印机的人才更少，故维修费之高也影响了3D打印消费。

目前，3D打印产品主要为模型和饰品等低消费产品，因为自身种类的限制和价格之高，所以难以通过产品扩大3D打印产品的市场，所以，3D打印主要还是处在实验室进行相关研发工作。

四、3D打印发展应用及影响

（1）、进军医疗界

在医疗界，3D打印技术主要应用在外科手术中。

需器官移植的患者身上，可为其“量身打造”所需器官，无需担心排异反应。

而打印一个人体心脏瓣膜，只需要价值10美元的高分子材料。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2015年5月，国内第一个实用型3D打印假肢诞生，经过反复的设计和试用，最终那位5岁小男孩借助假肢可以完成一些基本动作，目前已经能够控制自行车把手驾驶自行车。

牙病是人群中普遍存在的，通过3D打印打印牙齿可以帮助患者正常进食。

当前，虽然医疗界中的3D打印技术能给患者带来很大的帮助，但其主要还处于实验阶段。

科技在发展，3D打印技术在成熟，3D打印技术迟早会成熟到能到完成各项医疗任务。

（二）、深入建筑领域

在建筑行业里，使用3D打印机打印建筑模型是普遍存在的现象，这种方法环保、快速并且成本低，同时制作精美，除了无法达到透视效果，完全合乎工程师和设计师的要求，同时又能节省大量建模材料。

因为3D打印机规格和材料的限制，目前我们无法直接打印出一座建筑，也无法打印生产建筑所需的一张一瓦；正因为材料不透明性质的限制，我们在打印建筑模型时无法进行建筑内部打印，模型表面有形，内部空虚，应用价值较低。

当3D打印技术克服以上技术困难时，它将完全进入建筑领域。

（3）、3D打印食品

3D食物打印技术与3D打印技术同时发展，它是3D打印技术与食物加工技术结合的产物，综合了机电控制技术、数字建模技术、材料科学与食物制造等方面的先进技术，具有很高的科技含量。

3D食物打印机采用了一种全新的电子蓝图系统，不仅方便打印食物，同时也能帮助人们设计出不同样式的食物。

该打印机所使用的“墨水”均为可食用性的原料，如巧克力汁、面糊、奶酪等。

一旦人们在电脑上画好食物的样式图并配好原料，电子蓝图系统便会显示出打印机的操作步骤，完成食物的“搭建”工程。

这款食物打印机将大大简化食物的制作过程，同时也能够帮助人们制作出更加营养、健康而且有趣地食品，这款3D食物打印机上市后，可供家庭及餐馆等不同场所使用。

世界首款3D食品打印机——Foodini，是西班牙创业公NaturalMachines研制出的，是一款融“食物、技术、艺术和设计”于一身的家用食品机械，通过多个喷嘴的不同组合，可以制作出种类各异的食物，如披萨、巧克力、意面和汉堡等。

Choctory是国内首台能够成熟打印3D立体模型的巧克力打印机，由南京增材制造（3D打印）研究院自主研发所得。

目前已进入工业测试阶段。

2015年5月12日，3D打印巧克力亮相第二十八届中国国际烘焙展览会。

此次展出的众多异形3D打印巧克力就是由该Choctory制作而成。

咀嚼和吞咽食物是老年人常见的问题，在医学上称之为“吞咽困难”。

3D打印食品可谓是老年人的福音。

因为3D食物打印材料的特殊性，食物很容易咀嚼和吞咽，这对于老人来说即使牙齿不全也能吃到自己喜爱的食物。

3D食品打印机很可能成为老人护理行业的革新者。

健康饮食是21世纪人们比较注重的一个切身健康利益的话题，3D打印技术能够根据不同的人物需求，打印出符合儿童、青少年、孕妇和老人等营养需求的食物，能给肥胖者和患病者（如3高、糖尿病等）带来很大的便利和帮助。

3D打印食品外观和味道与原来食品相似，口感更好。

目前，3D食物打印技术还处于工业测试阶段，待技术成熟之后将3D食物打印技术商品化，市场必定广阔。

（4）、3D打印产品商业化

中国人口众多，假牙市场规模广大，将3D打印技术应用到假牙生产中，不仅将原来需要半年多次手术的周期降低到5个小时，而且将原来需要1到2万的成本降低到5000元左右。

3D打印假牙还处于临床试验阶段，当其技术成熟到临床时，可想而知其市场规模会有多大。

当前，已有许多淘宝店售卖3D打印产品，但主要以文具等低端产品为主，主要还是技术限制了3D打印产品商业化的发展。

如果3D打印技术成熟，材料丰富，3D打印产品走进千家万户并不是梦。

（五）、文物保护

2013年，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。

这启发了我们将3D打印技术应用到文物保护中。

确实，博物馆中需要很多替代品来代替原始作品，保护其不受环境或意外事件的损坏。

在考古现场，可能年代久远，文物损坏程度不一，通过3D打印建立虚拟模型，可将文物信息数据化保存，使用不同的材料打印出模型供人们鉴赏。

（六）、对机械方面的影响

1、对传统制造业的影响

与传统制造业的“减材制造技术”相反，3D打印遵从的是加法原则，即“逐层叠加”原则，提高了原材料和能源的利用率。

3D打印技术完全可以离开传统的刀具、夹具和机床，从而大幅降低了生产成本和缩短了加工周期。

3D打印无漏油现象，不需要使用冷却液等，因此减少了对环境的影响。

相比于传统的车、铣、镗、钻、刨、拉、磨等复杂工艺，而且能加工出的结构有限，3D打印技术能够不仅不需要这些复杂繁琐的加工工艺，并且能实现复杂结构产品的设计制造，成型产品的密度也更加均匀。

当前，因为3D打印受到各种限制，其还不足以在传统制造业造成很大的影响。

当3D打印技术完成成熟，材料等条件满足要求，3D打印将代替部分传统制造业。

2、对模具制造业的影响

模具，作为工业之母，在3D打印技术发展的的冲击下将受到一定的影响。

前瞻产业研究院《2013-2017年中国模具制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》分析认为，短期内3D打印不会震撼模具制造业的地位。

目前3D打印技术并不适合批量生产，生产一件和生产１万件的成本单价基本相等，并且目前3D打印单个产品所需的时间较长。

在规模经济效应的影响下，大批量生产中模具在我国占据明显优势，在非批量、精密要求不高的产品制造领域，模具不具备替代性。

而在非批量的、精密的和尖端的产品制造中3D打印应用的潜力较大，比如航空航天、医疗器械等领域。

从长远来看，随着3D打印技术的发展，未来打印效率的提高及成本的降低，3D技术对模具行业的影响将不容小觑。

使用金属材料，通过3D打印机可以快速打印出模具，这不仅减少了模具制造的时间周期，更加减少了人力和物力的投入，3D打印技术很有可能代替现有模具制造技术。

3D打印机不仅能够打印出模具，还能打印出由模具生产的产品，但因为相对于模具生产，3D打印单个产品所需的时间较长，所以3D打印技术和模具制造技术有一定的相容互补性。

例如，企业在开发新产品时，可以用3D打印技术制造模具，再用传统制造技术进行批量生产。

结论

3D打印，作为第三次“工业革命”的核心技术，发展迅速，备受关注。

深入了解3D打印，并掌握其一些基本技术，在以后的发展中必能收益。

目前，3D打印还存在很多不足，在一定层度上限制了其发展和影响。

随着科技的发展，3D打印必能突破材料等因素的限制，在各个领域中造成很大的影响。

致谢

感谢哈尔滨工业大学刘晋春等主编的第五版《特种加工》提供的选题参考以及相关基础知识，感谢XX百科，维基百科等解决了3D打印中的基本常识性问题，感谢南京3D打印研究院近期微博上公布的有关3D食品打印机打印巧克力等相关新闻，特别感谢中国知网提供的相关期刊文献。

谢谢！

参考文献

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作者名.书名.版本（如为第一版可以省略），出版地：

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