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未来前端技术

未來前端技術——3D列印機

姓名：

李博藝學號:

E10120610

一、三維列印的概念及簡介

1.1.三維列印概念

三維列印（3Dprinting），即快速成形技術的一種，它是運用粉末狀金屬或塑膠等可粘合材料，通過一層又一層的多層列印方式（微積分），構造零對象。

用於模具製造、工業設計、建造模型，現正發展成產品製造，形成“直接數位化製造”，一些高價值應用（比如髖關節或牙齒，或一些飛機零部件），目前已經有列印而成的零部件出現。

1.2發展歷史簡介

早期三維列印的例子發生在20世紀80年代，在20世紀80年代中期，美國德州大學奧斯汀分校的卡爾Deckard博士開發出SLS設備並獲得專利，此後陸續有三維列印設備申請專利，早期的三維印表機體積大，制做費用及列印成本非常高、所能製造的產品也非常有限。

1995年在麻省理工學院創造了“三維列印”術語，當時的畢業生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨印表機方案，變為把約束溶劑擠壓到粉末床的解決方案，而不是把墨水擠壓在紙張上的方案。

該專利隨之而來的是現代的三維列印企業Z公司（Bredt和Anderson創立）和ExOne公司。

隨著科技的進步，三維列印的領域不斷拓展，專利不斷出現並被陸續推向市場。

1.3世界範圍的原型快速成型技術

（1）累積製造//累積技術（Additivemanufacturing）

（2）物品通過材料一層層的累積被列印出來，所以該技術稱為累積製造/累積技術

（2）目前累積技術應用基本材料

（3）部分快速成形典型工藝的比較

（4）工作原理及工作步驟

1.4三維列印的優缺點：

相比傳統製造工藝，3D列印技術有兩個優點，一是節省原材料和人工。

由於採用“添加製造技術”，它的用料只有原來的1/3到1/2，列印速度卻快4倍。

同時因省去生產線和一部分組裝過程，可降低人工成本。

第二個優點是可以製作形態各異的物品。

理論上，只要電腦可以設計出的造型，3D印表機都可以列印出來，2011年在加拿大展出的3D列印汽車Urbee，即以其時尚前衛的流線型外觀吸引了眾多關注。

3D列印技術的局限主要體現在材料上：

目前列印材料主要是塑膠、樹脂和金屬，骨骼等有機原料。

2.三維印表機的應用

3D印表機的應用對象可以是任何行業，只要這些行業需要模型和原型。

以色列的Objet公司認為，3D印表機[7]需求量較大的行業包括政府、航太和國防、醫療設備、高科技、教育業以及製造業。

醫療行業。

最近，一位83歲的老人由於患有慢性的骨頭感染，因此換上了由3D印表機“列印”出來的下顎骨，這是世界上首位使用3D列印產品做人體骨骼的案例。

科學研究。

美國德雷塞爾大學的研究人員通過對化石進行3D掃描，利用3D列印技術做出了適合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特徵，同時還做了比例縮減，更適合研究。

產品原型。

比如微軟的3D模型列印車間，在產品設計出來之後，通過3D印表機列印出來模型，能夠讓設計製造部門更好的改良產品，打造出更出色的產品。

文物保護。

博物館裏常常會用很多複雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時複製品也能將藝術或文物的影響更多更遠的人。

最近史密森尼博物館就因為原始的托馬斯·傑弗遜要放在佛吉尼亞州展覽，所以博物館用了一個巨大的3D列印替代品

放在了原來雕塑的位置。

建築設計。

在建築業裏，工程師和設計師們已經接受了用3D印表機列印的建築模型，這種方法快速、成本低、環保，同時製作精美。

完全合乎設計者的要求，同時又能節省大量材料。

製造業。

製造業也需要很多3D列印產品，因為3D列印無論是在成本、速度和精確度上都要比傳統製造好很多。

而3D列印技術本身非常適合大規模生產，所以製造業利用3D技術能帶來很多好處，甚至連品質控制都不再是個問題。

食品產業。

沒錯，就是“列印”食品。

研究人員已經開始嘗試列印巧克力了。

或許在不久的將來，很多看起來一模一樣的食品就是用食品3D印表機“列印”出來的。

當然，到那時可能人工製作的食品會貴很多倍。

汽車製造業。

不是說你的車是3D印表機列印出來的（當然或許有一天這也有可能），而是說汽車行業在進行安全性測試等工作時，會將一些非關鍵部件用3D列印的產品替代，在追求效率的同時降低成本。

配件、飾品。

這是最廣闊的一個市場。

在未來不管是你的個性筆筒，還是有你半身浮雕的手機外殼，抑或是你和愛人擁有的世界上獨一無二的戒指，都有可能是通過3D印表機列印出來的。

甚至不用等到未來，現在就可以實現。

（奧迪運用3D列印技術製作的汽車模型）

（太空3D印表機）

以上為三維印表機的部分產品

3.世界三維列印市場的發展情況

3.1三維列印技術在美國已經產業化

三年前尚處於技術前沿的3D列印如今已成製造業中的新興戰略領域。

2012年8月，美國總統奧巴馬撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D列印添加劑工業研究中心，並計畫第一步投入5億美元用於3D列印，以確保美國製造業不繼續轉移到中國和印度。

長期跟蹤3D列印行業的諮詢公司WohlersAssociates表示，2011年，3D印表機的市場規模為17億美元左右，到2015年該市場將達37億美元。

目前全球有兩家三維印表機製造巨頭，分別為Stratasys和3DSystems，均在美國納斯達克上市。

不過，這一數字僅占全球製造市場的0.02%。

在飛機、核電和火電等行業所使用的重型機械、高端精密機械裝備上，傳統的焊接和零部件加固的方法使得部件之間的連接並不牢固，但是使用3D列印技術，出來的產品是自然無縫連接，結構之間的穩固性和連接強度要遠遠高於傳統方法。

這在飛機、核電等高端裝備製造行業的應用上非常廣泛。

3.23DSystems公司的全價值鏈模式

3DSystems公司（DDD.NYSE）是全球最大的3D印表機生產商和解決方案提供者。

從2009年收購桌面工廠（DesktopFactory）以來，3DSystems陸續收購了25家公司以補充產品線和提升技術實力，其如今的規模是2009年底的3倍，市值是當時的10倍，達近24億美元，目前市盈率高達75倍。

公司首席技術總監查爾斯·胡爾（CharlesW.Hull）是3D列印技術的發明者，1988年，該公司就生產了第一臺3D印表機2012年5月，3DSystems通過一款新型印表機“立方體”（Cube）打開了日常消費市場，它的自帶程式裏已預先裝載大量物品設計圖，比如棋子、首飾、廚具等，操作簡單易上手，顧客無須學習複雜的3D設計軟體，便可直接列印所需物品。

3DSystems向客戶提供“一站式”全套增值解決方案，包括硬體、軟體、材料、工藝、教育培訓和應用支持。

它不僅提供印表機，還出售印表機配套的原材料、相關設計軟體，並為客戶提供培訓，其解決方案涉及模具、醫療、教育、珠寶、建築等行業。

近年來，服務在公司收入中所占比例越來越高，2011年公司服務收入已達9312萬美元，占比由2007年的23.2%升至40%。

在服務、原材料和印表機三塊業務的整體拉動下，公司2011年收入同比增長44%至2.3億美元，淨利潤更是飆升81%至3542萬美元。

3.3互聯網服務提供商Shapeways是3DSystems的網路版

Shapeways並不直接出售印表機，而是通過社交網路把“全價值鏈”搬到了線上。

用戶在網站註冊後，既可以把自己的產品設計上傳到網站，也可以購買現有的3D設計圖，再選擇和購買原材料，就可以下單，公司會將列印出來的成品送貨上門。

此外，用戶也可以線上展示和銷售產品，並將產品賣給其他人。

2011年Shapeways已經印製了75萬種產品，最受歡迎的是珠寶首飾、iPhone手機套和玩具火車，使用的材料包括塑膠、不銹鋼、銀、陶瓷和玻璃。

目前，Shapeways還在研發更多的3D列印原料，如木材、蠟甚至鈦、金等高端金屬。

3.4三維列印進入商用時代

商業模式漸趨成熟，產業鏈基本成型。

海外公司紛紛試水三維列印，爭奪製造業新生產力的高地。

你是否想擁有一個哆啦A夢的百寶袋？

3D印表機的出現讓這個夢想幾乎觸手可及。

只要擁有一臺3D印表機，你就可以在自家“變出”各式各樣的寶貝。

目前，人們已經用它列印出了汽車、巧克力、假肢、比基尼泳衣甚至房子。

或許，在不遠的將來，你可以用它來製造各種所需的物品。

3.5桌面上的創意工廠

與傳統製造業的去除材料加工技術不同，3D列印遵從的是加法原則。

列印時，先用相關軟體將產品圖紙轉化為3D圖像數據並上傳電腦，放入相應的材料後，列印噴頭就會根據圖像數據一層一層地將東西列印出來，再堆疊在一起成為一個立體物品。

例如，如何利用3D印表機列印出一個和自己笑臉一模一樣的巧克力呢？

首先，你可以通過3D建模軟體，如123D或者Photofly，將iPhone或普通卡片機中的照片轉換成3D圖像數據，上傳到電腦後，就擁有了自己的三維設計圖。

“油墨”則是液態巧克力，把巧克力融化後，裝進印表機中的儲存器，按下“列印”鍵，印表機就會根據圖像數據把液態巧克力一層層堆疊成你的笑臉形狀。

每層巧克力列印出來後，必須經過凝固才開始下一層列印，加裝保溫和冷卻系統即可保證巧克力的粘稠度和溫度。

這種3D巧克力印表機已於2012年4月上市，它被命名為“ChocEdge”（巧克力邊緣），在eBay上售價高達2500英鎊。

英國最大的巧克力生產商桑頓斯已經和“巧克力邊緣”接洽，商談合作事宜。

網路禮品銷售商“findmeagift”也對其表示出了興趣。

3.6產業鏈初具雛形

在3D列印的產業鏈上，不僅有挑大樑的印表機生產者，還有原材料供應商和相關軟體提供商。

在3DSystems和Shapeways等力爭通吃“全價值鏈”的同時，更多的公司在這個新興行業掘金細分環節。

Stratasys公司（SSYS，NASDAQ）主要以生產3D印表機為主，產品涵蓋桌面印表機、辦公室印表機和工廠印表機。

公司2011年收入1.56億美元，淨利潤2063萬美元。

2012年4月，Stratasys收購了以色列巨頭Objet，合併後市值達到14億美元，對3DSystems的霸主地位形成挑戰。

在原材料領域，XeroxPARC公司正在研發感測器、電晶體等電子產品的列印材料，一旦成功，將意味著消費者可以自行設計列印手機或者MP3等。

應用軟體領域，工程師和程式員不時共用代碼和設計，越來越多免費開源軟體的出現，降低了3D列印的設計成本，如123D、OpenSCAD、Tinkercard等。

4.我國三維列印市場的發展情況

4.1本土公司試水3D列印

在海外3D列印產業鏈逐漸形成、各巨頭攻佔全球市場的同時，中國本土公司也頻頻試水，爭奪製造業新生產力的高地。

這一新技術也頗受國內資本關注。

2012年8月，金屬複合材料生產商銀邦股份（300337）宣佈和無錫安迪利捷貿易公司合資成立飛爾康快速製造科技公司，其註冊資本為5000萬元，銀邦股份參股45%，主營3D列印的金屬粉末生產和銷售。

華泰證券點評道，銀邦股份進軍新領域為投資者提供了充分的想像空間。

成立於2009年的杭州銘展網路科技公司是3D印表機的生產者和代理商。

公司是3DSystems部分產品的中國區代理服務商，同時也基於開源3D列印技術製造出了個人3D印表機系列，目標是批量生產經濟型家用印表機，以方便設計師、工程師、科技人員甚至普通愛好者的使用。

此外，銘展還建立了“我愛3D”設計作品分享社區，讓更多人參與創新分享3D列印作品。

南京寶岩自動化有限公司則自主研發了3D印表機，既有家用型版本，可列印手機座、茶杯、梳子等生活用品；也有冰櫃大小的大型彩色3D印表機，用於列印齒輪、螺帽、零部件等模型，市場售價在1萬-25萬元之間。

年內，該企業計畫投資600萬元實現3D印表機量產總部位於中國臺北的軟硬體及顧問服務解決方案提供商實威國際則經營3D印表機相關軟體，其產品涉及3D設計軟體、3D產品檔編寫，可以加強客戶建立2D、3D圖檔和動畫的能力。

在2012年8月的中國臺北國際模具暨模具製造設備展上，實威國際就展出了3D產品設計Solidworks系列軟體，協助縮短製造業研發時間。

4.2三維印表機數量增長迅速，市場規模不斷礦大

目前，國內的3D列印主要集中在家電及電子消費品、建築、教育、模具檢測、醫療及牙科正畸、文化創意及文物修復、汽車及其他交通工具、航空航太等領域。

據業內人士估計，3D印表機在國內企業裝機量在400臺左右，2010年以來年增速均在70%左右，市場規模超過1億元。

5.綜上所述：

1.三維列印（3D列印）所代表的快速成形技術，涉及行業眾多，採用方法多樣，應用前景廣闊。

2.國際上三維列印技術已經開始產業化，國內市場剛剛形成，但發展迅速。

3.未來的3D列印市場必將要走上世界主流。