一、3D打印概述

1.3D打印概念

3D打印（3DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或其他形態(tài)塑料等可粘合，固化材料，通過逐層成型的方式來構造物體的技術。

3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程以及其他領域都有所應用。

2.3D打印原理

日常生活中使用的普通打印機可以打印電腦設計的平面物品，而所謂的3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，打印機與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，zui終把計算機上的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，比如打印一個機器人、打印玩具車，打印各種模型，甚至是食物等等。之所以通俗地稱其為“打印機”是參照了普通打印機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似。這項打印技術稱為3D立體打印技術。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、聚乳酸、ABS樹脂、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

3.歷史發(fā)展

1986年，3D systems公司創(chuàng)始人Charles Hull開發(fā)了*臺商業(yè)3D印刷機。

1993年，麻省理工學院獲3D印刷技術。

1995年，美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得**并開始開發(fā)3D打印機。

2005年，市場上*高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上*輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世。2011年6月6日，發(fā)布了*款3D打印的比基尼。

2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上*臺3D巧克力打印機。

2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發(fā)出世界上*架3D打印的飛機。

2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞用3D打印機打印出人造肝臟組織。

2013年10月，成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術品。

4.3D打印的意義和作用

21世紀是以知識經(jīng)濟和信息社會為特征的時代，制造業(yè)面臨信息社會中瞬息萬變的市場對小批量多種產(chǎn)品要求的嚴峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風險，成為企業(yè)賴以生存的關鍵。直接從計算機模型產(chǎn)生三維物體的快速成形技術，是由現(xiàn)代設計和現(xiàn)代制造技術迅速發(fā)展的需求應運而生的，它涉及機械工程、自動控制、激光、計算機、材料等多個學科，近年來，該技術迅速在工業(yè)造型、制造、建筑、藝術、醫(yī)學、航空、航天、考古和影視等領域得到良好的應用。快速成形/快速制模/快速制造技術為企業(yè)提高競爭力提供了一種*的設計，制造，裝配手段。

3D打印技術的出現(xiàn)為制造企業(yè)滿足個性化的需求和產(chǎn)品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技術不采用傳統(tǒng)的加工機床和工具模具，零件自由成型，只要通過計算機作出零件的三維模型，就能在工作臺上實現(xiàn)零件的制造，如果產(chǎn)品設計有改動，只需在計算機中修改模型，不需要重新設計工裝夾具，很快制造出實體零件，大大縮短了產(chǎn)品的制作時間和投放市場的時間，幾個星期甚至幾天內(nèi)就可交出樣品，為傳統(tǒng)工藝的10~30%，成本降為20~35%。

3D打印項目能為工業(yè)創(chuàng)意設計成果向制造業(yè)轉(zhuǎn)化提供*的重要保證；能為產(chǎn)品的開發(fā)設計提供有力的技術支撐；為工業(yè)設計人才的自主創(chuàng)新、人才的培育提供必要的條件和服務，特別是為國內(nèi)各高校創(chuàng)新工程實驗中心向化、專業(yè)化、節(jié)能化轉(zhuǎn)變提供重要的技術保證，從而提升高校，企業(yè)軍工等在整個制造業(yè)和創(chuàng)新科技中的整體競爭力。

5.3D打印工藝分類

6.各類型3D打印工藝優(yōu)缺點簡析

6.1．融熔沉積（FDM）技術的優(yōu)勢與缺陷

優(yōu)勢：1.成型材料成本zui低無需特殊使用環(huán)境

      2. 無需特殊使用環(huán)境

缺點：1. 成型件的表面有較明顯的條紋

      2. 沿成型軸垂直方向的強度比較弱

      3. 需要設計與制作支撐結構

      4. 需要對整個截面進行掃描涂覆，成型時間較長

6.2．電子束自由成型制造（EBF）技術的優(yōu)勢與缺陷

優(yōu)勢：1.成型速度快

      2. 對粉末顆粒材料要求低

缺點：1. 成型件的表面粗糙，往往很難達到基本使用要求

      2. 成型精度差，往往只用來成型毛坯類零部件

6.3．選擇性燒結成型制造技術的優(yōu)勢與缺陷

優(yōu)勢：1.成型速度較快

      2. 對粉末顆粒材料要求較高

      3.燒結材料種類豐富，包含金屬類及非金屬類

缺點：1. 成型件的表面粗糙，成型細節(jié)較差

      2. 成型精度較差，需要配合傳統(tǒng)加工設備完成加工

6.4．粉末層噴頭（3DP）成型制造技術的優(yōu)勢與缺陷

優(yōu)勢：1.成型速度快

      2. 對粉末顆粒材料要求低

      3.可成型彩色樣件

缺點：1. 成型件的表面粗糙，往往很難達到基本使用要求

      2. 成型精度差，往往只用來成型毛坯類零部件

      3.材料種類單一，成型件強度高，但韌性較差

6.5．分層實體（LOM）成型制造技術的優(yōu)勢與缺陷

      （該型技術現(xiàn)基本從市場淘汰）

6.6．光固化成型（SLA）制造技術的優(yōu)勢與缺陷

優(yōu)點：1．立體光固化技術是zui早出現(xiàn)的快速成型制造技術,成熟度高,經(jīng)過時間的檢驗；

      2．立體光固化技術成型外觀效果細膩，尺寸精度在所有3D打印技術里面zui高；

      3.支撐結構為網(wǎng)狀支撐，材料利用率比較高

      4.成型尺寸zui大，可一次性成型較大零部件

缺點：1.需單獨的使用環(huán)境，如恒溫，恒濕

      2. 后處理工作專業(yè)性要求較高，需要熟練的技術人員來操作

二．3D打印在現(xiàn)代制造業(yè)中意義

21世紀是以知識經(jīng)濟和信息社會為特征的時代，制造業(yè)面臨信息社會中瞬息萬變的市場對小批量多種產(chǎn)品要求的嚴峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風險以及產(chǎn)品的前期設計驗證，裝配試制，成為企業(yè)賴以生存的關鍵。直接從計算機模型產(chǎn)生三維物體的快速成形技術，是由現(xiàn)代設計和現(xiàn)代制造技術迅速發(fā)展的需求應運而生的，它涉及機械工程、自動控制、激光、計算機、材料等多個學科，近年來，該技術迅速在工業(yè)造型、制造裝配、建筑、藝術、醫(yī)學、航空、航天、考古和影視等領域得到良好的應用。快速成形/快速制模/快速制造技術為企業(yè)提高競爭力提供了一種*的手段。

3D打印技術的出現(xiàn)為制造企業(yè)滿足個性化的需求和產(chǎn)品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技術不采用傳統(tǒng)的加工機床和工具模具，零件自由成型，通過計算機設計出零件的三維模型，就能在工作臺上實現(xiàn)零件的制造，任何的產(chǎn)品設計改動，只需在計算機中修改模型，不需要重新設計工裝夾具，很快重新制造出實體零件，以用作結構驗證，裝配驗證及部分性能的驗證。大大縮短了產(chǎn)品的制作時間和投放市場的時間，幾個星期甚至幾天內(nèi)就可交出樣品，為傳統(tǒng)工藝的10~30%，成本降為20~35%。

3D打印項目能為企業(yè)在從設計成果向制造業(yè)轉(zhuǎn)化提供*的重要保證；能為產(chǎn)品的開發(fā)設計提供有力的技術支撐；為工業(yè)設計人才的自主創(chuàng)新、人才的培育提供必要的條件和服務，特別是為國內(nèi)各高新技術企業(yè)，科研院所及創(chuàng)新工程實驗中心向化、專業(yè)化、節(jié)能化轉(zhuǎn)變提供重要的技術保證，從而提升企業(yè)，高校及科研院所在整個制造業(yè)和創(chuàng)新科技中的整體競爭力，大大提高上述單位在同行業(yè)的*影響力。

1.國外*制造業(yè)現(xiàn)狀

    工業(yè)設計（包括藝術設計）被稱為“創(chuàng)造之神”、“富國之源”，一直以來被經(jīng)濟發(fā)達國家或地區(qū)作為核心戰(zhàn)略予以普及與推廣。

美國通過一場工業(yè)設計革命，成為世界首富，zui典型的蘋果公司的產(chǎn)品僅僅從設計造型上就給人一種與眾不同的感覺，從Mac、iPod到iPad、iPhone，其非凡的設計理念和生產(chǎn)工藝造就了一款又一款的蘋果神話；在英國，當年任首相的撒切爾夫人親自為工業(yè)設計呼吁：“忘記設計的重要，英國工業(yè)將具備競爭力”； 德國早在上個世紀初就振興設計，使經(jīng)濟如虎添翼；日本更是實施“設計立業(yè)”戰(zhàn)略，從政府扶植、引導，到企業(yè)集團重點抓設計和新產(chǎn)品開發(fā)，投入在設計開發(fā)的資金上占國民生產(chǎn)總值比例已達2.8%，居世界*，由于設計的優(yōu)勢，“輕、薄、小、巧、美”的日本商品風靡；韓國政府在1993年至1997年間，全面實施了工業(yè)設計振興計劃，并于1998年提出“設計韓國”戰(zhàn)略，經(jīng)過多年的實施，設計和創(chuàng)新在韓國開花結果，已經(jīng)擁有三星、LG等品牌；新加坡在其產(chǎn)業(yè)計劃中提出一個“設計新加坡”子計劃，要將新加坡建成一個在產(chǎn)品、概念和服務設計方面的文化和商業(yè)中心，工業(yè)與產(chǎn)品設計公司的增長速度更高達34%。工業(yè)設計依托*的制造技術，如3D打印技術，將設計成果迅速轉(zhuǎn)換為實際的產(chǎn)品，快速推向市場，從而獲得巨大的經(jīng)濟效益，為上述國家在制造業(yè)的地位與實力具有巨大的影響力。

2.國內(nèi)*制造業(yè)現(xiàn)狀

雖然近些年我國*制造技術進入快速發(fā)展階段，但與發(fā)達國家相比，各方面還有很大距離。特別是對于*制造技術本質(zhì)的理解認識及對行業(yè)的規(guī)范管理，雖然進行了近10年的技術宣傳和普及，但一些企業(yè)和民眾對于*制造技術的認識仍然很少。這些都極大地阻礙了*制造技術在國內(nèi)市場的正常發(fā)展，引發(fā)了企業(yè)資源浪費、人才流失等問題。

目前國內(nèi)*制造技術行業(yè)存在的問題主要有以下幾個方面：

2.1受重視程度不夠，創(chuàng)新意識不足

有相當部分企業(yè)對*制造技術未能引起足夠重視，僅停留在觀望階段，核心技術的欠缺在很大程度上制約著企業(yè)的發(fā)展，大量的代工生產(chǎn)和仿制也使企業(yè)逐漸喪失創(chuàng)新設計的能力。僅僅在造型上不斷地引進、模仿、抄襲國外的設計，必會導致新技術在產(chǎn)品開發(fā)設計及創(chuàng)新中可有可無的地位，使已有的成果得不到有效推廣和應用。

2.2供求雙方相互制約，市場發(fā)展受限

我國制造業(yè)市場多為“買方模式”，生產(chǎn)企業(yè)對技術的需求主導了*制造的發(fā)展方向。對需求方而言，由于其目前對*制造業(yè)的了解、對其價值和重要性的認識有限，僅以大量生產(chǎn)為主，未能達到對*制造具有更高要求和依賴的創(chuàng)新階段，從而造成了市場上僅需求大量的產(chǎn)品而技術含量偏低的現(xiàn)象；對生產(chǎn)制造供應方而言，低端需求必然帶來低效益，只好低端制造，再加上市場初期對*制造的宣傳和推廣努力有限，社會認知及影響力不大，造成其在市場中的被動地位，很大程度上限制了發(fā)展。不僅如此，供求雙方各自存在的這些問題又相互制約了設計市場的發(fā)展。如此循環(huán)，雙方都被束縛在初級設計市場中而無法尋找到新的發(fā)展平臺。

2.3教育不完善，人才缺乏

目前我國生產(chǎn)制造從業(yè)人員與日俱增，但真正具有較高水平的技術人員相當匱乏。一方面，教育機制不完善。在我國已開設工業(yè)設計專業(yè)的200多家高校中，有的高校一味追求綜合性，盲目開設傳統(tǒng)制造專業(yè)，并未配設專業(yè)老師，師資力量的薄弱，必然導致學生專業(yè)素質(zhì)的不足，影響教育質(zhì)量的提高。另一方面，理論與實踐未能有效對接。據(jù)統(tǒng)計，我國這幾年傳統(tǒng)制造專業(yè)畢業(yè)生每年有十來萬人，但真正從事*制造的僅有25%左右，就業(yè)難、難定位已成為高校學生在是否選擇*制造專業(yè)時質(zhì)疑的重點。