3D打印技术发展分析

3D打印技术发展分析（精选12篇）

3D打印技术发展分析 第1篇

关键词：金属材料,3DP,发展瓶颈,发展方向

0 引言

3D打印技术基于分层叠加成形原理, 有别于传统的减材加工方法而逐渐被世人所熟知和热捧。它是对局限性传统制造方式的全新升级, 如今已经如火如荼, 成功运用塑料、陶瓷粉末、金属粉末、混凝土、食品材料、生物医学材料等打印出枪支、房屋、汽车、飞机、器官等等, 且应用领域尚在逐步拓展。近些年国内涌现出大批高校和企业参与3D打印设备的研发, 且有不少产品已经被成功推向市场, 但以熔融沉积型的塑料打印居多。确切地说, 塑料的3D打印工艺相对成熟, 研发相对饱和, 近几年3D打印技术的研发热点逐步向金属材料的3D打印技术转移, 市场逐渐出现金属材料的打印设备。

1 基本分类

金属3D打印技术通常采用高能束作为输入热源, 通过熔化或者烧结金属粉末进行逐层叠加打印制件。根据输入的高能束的不同可将金属3D打印技术分为电子束选区熔化成型、 (等) 离子束熔覆成型、直接金属激光烧结、选择性激光熔化成型、选择性激光烧结等。目前以激光作为输入热源的打印技术研究和应用较为深入, 主要用于钛合金、钴铬合金、不锈钢等金属粉末的打印。

2 校企研究现状

20世纪90年代, 我国的清华大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等开始进行激光3D打印技术研究。早在1992年颜永年团队开发出对户开放的RPM开发平台, 西北工业大学在1995年首次提出激光直接成形技术的研究思路[1], 华南理工大学在2004年开发出国内第一台选区激光熔化快速制造设备。

如今经过近30年发展, 国内3D打印领域涌现出几股强劲的研发团队, 清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学、华南理工大学、湖南大学等都对金属3D打印技术研究深入, 且已开发出市场化的金属3D打印设备。华中科技大学史玉升团队2011年牵头研发出世界最大激光3D打印机;西安交通大学卢斌恒团队致力于3D打印技术在汽车制造上的应用研究;北京航空航天大学王华明团队致力于钛合金激光3D打印技术研究, 已能实现飞机钛合金大型主承力构件的打印;西北工业大学黄卫东团队提出将3D打印技术和同步送粉激光熔覆相结合的创新想法, 进而进行激光立体成形技术研发, 通过激光熔化金属粉末, 已为国产大飞机C919制造中央翼缘条;湖南大学刘继常团队致力于金属激光3D打印及其信息管理系统研发。

随着3D打印认知度的提升, 高校研究所的研究热度逐步增加, 近些年涌入不少高校对金属3D打印技术的切片算法、激光扫描路径规划、新材料及工艺等研究, 甚至开发出一些软件或进行软件的二次开发。

在政府的积极鼓励与引导下, 诸多省市的高新区企业 (尤其是浙江、江苏、广东等沿海地区) 积极开展金属3D打印装备研发, 如广东中山汉邦激光科技有限公司、佛山先临三维科技有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司、江苏亚太霍夫曼金属打印科技有限公司等。

3 发展瓶颈

虽然金属3D打印能够打印出令人惊叹的产品, 但由于整个行业缺少生产标准、质量检测、安全认证体系, 打印制件的质量、性能等往往不如传统加工方法。国内金属3D打印研发处于起步初期, 而且国内较为重视装备轻视工艺, 致使其存在些发展瓶颈。

1) 成本高 (设备、原料、使用成本高) 。金属3D打印技术主要在难加工的高性能、贵的、其它方法无法加工的零件确实具有一定的成本优势, 但在日常的金属用品中成本则比传统加工高出非常多, 甚至达到1000倍。另外, 金属粉末基本在1000 元/kg左右, 且金属3D打印设备本身价格相对较高, 国内最低价格基本在200万元左右。因此, 降低金属3D打印成本对于拓展其应用领域具有十分重要的意义, 也是金属3D打印技术发展的必经之路。

2) 材料研发滞后。3DP技术核心之一在于材料, 而传统用于粉末冶金的金属粉末尚不能完全适应3D打印的要求, 且目前能运用于打印的金属材料种类少, 价格偏高。国外已出现少数几家专供3D打印的金属粉末的公司, 如美国Sulzer Metco、瑞典的Sandvik等, 但也只能提供少数几种常规金属粉末[2]。国内材料研发相对滞后, 打印粉末太贵。因为材料研发周期长, 研发难度较设备大, 企业出于利益的最大化不愿进行材料研发。黄河旋风股份有限公司是国内为数不多的从事金刚石微粉、CBN微粉生产的企业。高校研究又热衷于3D打印装备及软件配套等, 因此打印材料在很大程度上制约着金属3D打印技术的发展及应用。

3) 各种金属材料最佳成形参数不一。不同材料性能上存在差异, 需进行大量的实验测试, 探索适合各金属的最优工艺参数。

4) 凝固组织、内部缺陷质量。打印件存在球化、内部孔隙、变形开裂等问题使得其力学性能达不到工业要求, 尤其是重载、高冲击等恶劣工作环境工作的高端结构件要求得不到满足。而目前打印件内部组织凝固规律及内部缺陷形成机理、内应力演化、打印过程中的晶粒形态、晶粒尺寸、晶粒取向的控制方法仍不够明确, 尚需深入研究。

5) 后处理工艺复杂。为了提高表面质量、消除台阶效应和内应力, 金属3D打印后通常需要手工抛光、电解抛光、热处理、线切割等后处理工艺。对于曲面复杂的工件, 极容易存在清理死角, 如图1 (a) 所示;薄壁空心件清理时因缺少支撑, 工件受力易发生变形, 如图1 (b) 所示的蜂窝结构。另外打印后制件存在孔隙如图1 (c) 所示, 会影响打印制件的表面质量以及强度, 通常还需采用表面填补或者渗透技术进行补救。金属3D打印技术通常采用高能束作为热源进行加工, 打印成形后制件从高温逐渐降至常温, 工件残留内应力以及发生变形。且变形取向的不确定致使打印的形状和尺寸补偿变得相对困难, 如图1 (d) 所示。另外, 考虑到烧结后材料属性与其它工艺成形的材料属性不同, 所以对后处理要求也不同, 需要大量的测试工作。

此外, 对于具有悬垂结构或者表面倾角过大的制件, 采用金属的选择性激光熔化成型技术时仍然需要加设支撑, 以免塌陷、翘曲等打印失败现象[1]。此类支撑的后续去除常采用线切割方法, 如何防止线切割时破坏工件的精度值得探究, 而且存在线切割盲区:支撑与制件曲面结合部位, 如图2所示。

4 发展方向

金属3D打印技术目前已经取得了一定的发展, 高校、企业陆续推出市场化的设备。金属3D打印具有巨大的发展潜力及应用空间, 要提升其高端应用水平以及推广工业化应用, 笔者认为亟需从以下几方面攻克发展瓶颈。

1) 加强研发, 降低成本。降低成本是金属3D打印得以推广实现工业化应用的首要前提。

2) 加强材料及其打印工艺开发, 探究实现复合材料、功能梯度材料等的3D打印工艺。空客公司提出2025年打印出80 m×80 m的功能和结构一体化飞机的概念。然而飞机里面的蒙皮 (复合材料) 、电路 (塑料、金属材料) 、管道 (金属材料) , 如何采用3D打印技术进行多材料耦合值得探究。另外据了解, 田小永副教授提出将3D打印技术、超材料技术、可控电磁波隐形技术相结合来实现隐身, 通过3D打印特异结构的超材料可改变电磁波的传播方向。虽前景可观, 但是有相当的困难。

3) 智能材料研发。MIT提出4D打印概念, 并成功运用亲水智能材料打印出能随时间发生变形结构。4D打印技术对传统的机械结构设计与制造将带来深远的影响, 在航空航天、生物医疗器械、智能机器人、结构健康监测、能量回收[3]等领域具有其它制造技术所无法比拟的优势。因此, 拓展3D打印技术的应用到最高点, 加强智能材料研发至关重要。国内西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室已经开展对4D打印技术的初步研究。

4) 纳米3D打印技术。微观尺度的3D打印亦是一个重要的发展方向。

5) 冷态打印技术。常规的3D打印技术通过加热方法使材料熔化后凝固成形, 除产生收缩误差外容易残留应力等不良影响。浙江工业大学、西安交通大学、华中科技大学、北京科技大学等已经着手研究冷态打印技术。华中科技大学提出口腔修复体的金属冰型3D打印技术;西安交通大学提出冷态超音速喷射打印成形技术;北京科技大学新材料技术研究院开展金属基复合材料的3D冷打印技术研究, 利用金属和金属、金属和非金属的组合效果, 生产各种复合材料和特殊性能材料。

综上所述, 随着工业化应用对打印制件力学性能要求的提高, 金属3D打印技术势必具有良好的发展前景和推广潜力。虽然目前存在些发展瓶颈问题, 但随着研究的深入, 相信金属3D打印工艺将逐渐趋于成熟, 且若成本能降低至人们能接受的范围, 那么其应用领域必将得到极大的拓展。

参考文献

[1]曹冉冉.激光金属粉末成型机结构设计与实验研究[D].北京:北方工业大学, 2005.

[2]焦立新, 李攀, 杨玉, 等.3D打印用金属粉末制备技术发展现状[J].废钢论坛, 2014 (6) :23-27.

3D打印技术发展分析 第2篇

摘要：3D打印技术已获得迅速发展，并受到世界各国广泛关注，基于目前3D打印技术发展的现实情况，着重分析我国3D打印技术发展现状以及面临的环境条件，并提出我国3D打印技术发展与应用的对策建议，以便为我国抢抓3D打印技术发展机遇提供重要技术支撑。

近年来，3D打印技术获得迅速发展，并受到世界各国的广泛关注，美国科学家将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一，有的甚至期望3D打印这种神奇的技术能带来“第三次工业革命”[1][2]。军事强国加大技术研发力度，3D打印技术成熟度及性能不断提升，3D打印精度和速度不断提高，打印成本越来越低，打印原材料更加丰富；主要国家积极探索3D打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用，已经通过3D打印技术成功“打印”出手枪；美军应用3D打印技术，辅助研制了导弹用的弹出式点火器模型；美国GE集团已应用3D打印技术制造喷气发动机[3]。随着世界各国不断加大对3D打印技术的研发与投入，我国也开始高度重视3D打印技术发展与应用，已持续加大对3D打印技术支持，在若干关键技术方向取得了重要突破，在多个领域的应用取得重要进展，3D打印技术发展的支撑环境条件更加完善。

一、我国3D打印技术发展现状

我国3D打印技术发展与发达国家相比，虽然在技术标准、技术水平、产业规模和产业链方面还存在大量有待改进和发展的地方，但经过多年的发展，已形成以高校为主体的技术研发力量布局，若干关键技术取得重要突破，产业发展开始起步，形成了小规模产业市场，并在多个领域成功应用，为下一步发展奠定了良好基础。

(一)初步建立以高校为主体的技术研发力量体系

自上世纪90年代初开始，北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学、清华大学等高校相继开展了3D打印技术研究，成为我国开展3D打印技术的主要力量，推动了我国3D打印技术的整体发展。北京航空航天大学“大型整体金属构件激光直接制造”教育部工程研究中心的王华明团队，西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东团队主要开展金属材料激光净成形直接制造技术研究。清华大学生物制造与快速成形技术北京市重点实验室颜永年团队主要开展熔融沉积制造技术、电子束融化技术、3D生物打印技术研究。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室史玉升团队主要从事塑性成形制造技术与装备、快速成形制造技术与装备、快速三维测量技术与装备等静压近净成形技术研究。西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，以及快速制造技术及装备国家工程研究中心的卢秉恒院士团队主要从事高分子材料光固化3D打印技术及装备研究。[4](二)整体实力不断提升，金属3D打印技术世界领先

我国增材制造技术从零起步，在广大科技人员的共同努力下，技术整体实力不断提升，在3D打印的主要技术领域都开展了研究，取得一大批重要的研究成果，特别是在高性能金属零件激光直接成形技术方面取得重大突破，技术水平达到世界领先。高性能金属零件激光直接成形技术世界领先，攻克了金属材料3D打印的变形、翘曲、开裂等关键问题，成为首个利用选择性激光烧结(SLS)技术制造大型金属零部件的国家。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成形技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件。西北工业大学的激光立体成形技术可一次打印超过5米的钛金属飞机部件，构件的综合性能达到或超过锻件。北京航空航天大学和西北工业大学的高性能金属零件激光直接成形技术已成功应用于制造我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋，以及正在设计的第五代战斗机的钛合金主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比，缩短了设计时间[5]。

(三)产业化进程加快，初步形成小规模产业市场

利用高校、科研院所的研究成果，依托相关技术研究机构，我国已涌现出20多家增材制造设备与服务企业。北京隆源自动成型系统有限公司，1993年开始研发选区粉末烧结激光快速成型机并取得自主知识产权，广泛应用于航空航天、船舶兵器等行业的设计试制部门；北京太尔时代科技有限公司自主研发了拥有完全自主知识产权的控制系统、机械系统、打印材料等3D打印机核心技术；紫金立德公司专业从事3D打印机及其耗材的开发、生产、销售，并提供相关服务；西安铂力特激光成形技术有限公司是激光快速成形技术的产业化公司，公司产品已在国家多项重点型号研制和生产过程中得到应用，如应用于C919大型商用客机中央翼身缘条钛合金构件的制造，是目前国内金属3D打印技术领先者；武汉滨湖机电技术产业有限公司主要生产LOM、SLA、SLS、SLM系列产品并进行技术服务和咨询，1994年就成功开发出我国第一台快速成型装备－薄材叠层快速成形系统，开发生产的大型激光快速制造装备具有国际领先水平，2013年，成功开发出全球首台工作台面1.4m*1.4m的四振镜激光器选择性激光粉末烧结装备，标志着其粉末烧结技术达到国际领先水平。据中国3D打印技术产业联盟数据，2012年，我国3D打印市场规模约为10亿元，2013年翻一翻达到20亿元，2014年达到50亿元[6]。未来几年，中国3D打印市场每年将至少以1倍以上的速度成长，规模或达百亿元。

(四)应用取得突破，在多个领域显示了良好的发展前景

随着关键技术的不断突破，以及产业的稳步发展，我国3D打印技术的应用也取得较好进展，已成功应用于设计、制造、维修等产品全寿命周期。一是在设计阶段，已成功将3D打印技术广泛应用于概念设计、原型制作、产品评审、功能验证等，显著缩短了设计时间，节约了研制经费。在研制歼-

15、歼-16和歼-31等战斗机过程中，利用金属3D打印快速制造钛合金主体结构，在一年之内连续组装出多款飞机进行飞行实验，显著缩短了研制时间[7]。运-20在做首飞前的静力试验时发现起落架连接部位一个很复杂的结构件出了问题，需要更换材料，重新加工。采用3D打印技术，在很短的时间内生产出了需要的部件，保证了试验如期进行。二是在制造领域，已将3D打印技术应用于飞机紧密部件和大型复杂结构件制造。我国国产大型客机C919的中央翼根肋、主风挡窗框都采用3D打印技术制造，显著降低了成本，节约了时间。C919主风挡窗框若采用传统工艺制造，国内制造能力尚无法满足，必须向国外订购，时间至少需要2年，模具费需要1300万元。采用激光快速成形3D打印技术制造，时间缩短到2个月内，成本降低到120万元。三是在维修保障领域，3D打印技术已成功应用于飞机部件维修。当前，我国已将3D打印技术应用于制造过程中报废和使用过程中受损的航空发动机叶片的修复，以及大型齿轮的修复。以大型舰船伴随保障为背景的3D打印技术973项目成功立项，将对3D打印应用于伴随保障的重大基础问题进行研究。

二、我国3D打印技术发展面临的环境 随着技术的不断发展及广泛应用，3D打印技术受到越来越多的重视，我国3D打印技术发展的机遇和挑战并存。

(一)我国已对3D打印技术高度重视与大力支持，为3D打印技术发展提供了有力的政策支撑环境

当前，我国正大力推进经济发展模式转型，高端制造业成为工业发展的重要方向，3D打印已经开始受到国家的高度重视，3D打印技术发展已被提升到国家战略层面，有关部门正在制定支持3D打印产业发展的专项政策。2013年国庆前夕，中共中央政治局以实施创新驱动发展战略为主题开展第九次集体学习，学习期间，中央领导专门考察了中关村与3D打印相关的研发和生产企业，表明我国上层开始重视3D打印技术的发展。科技部最新制定的《国家高技术研究发展计划》、《国家科技支撑计划制造领域2014备选项目征集指南》中，也明确提出系列支持3D打印技术发展的政策，提出把“3D打印关键技术、装备研制聚焦航空航天、模具领域的需求”作为重点研究，力求突破3D打印制造技术中的核心关键技术。此外，国家在《2013年产业振兴和技术改造专项重点专题》，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，《国务院关于印发工业转型升级规划（2011-2015年）》，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，《高端装备制造业“十二五”发展规划》等文件中，都提出要加大对3D打印技术的支持力度。随着党和国家的高度重视，必将带动全社会对3D打印技术的重视，政府和企业对3D打印技术的研发投入也必将大幅增长，为我国3D打印技术的发展提供良好的条件，吸引越来越多的科技工作者投身于3D打印技术的研究，快速攻克制约3D打印技术发展的技术瓶颈，为我国3D打印技术的发展提供不竭的动力。

(二)我国已具备良好的技术基础，为3D打印技术发展与应用奠定了坚实的基础 经过多年的发展，我国的3D打印技术已具备较好的基础。世界上，3D打印技术仍处在技术发展初期，我国与技术先进国家的差距较小，为我国3D打印技术发展提供了难得的历史机遇。从上世纪末开始3D打印技术研究，经过多年的积累，形成了一批稳定的研究机构和专家队伍，突破了一批关键技术，建成了一批重要的研究基地，创建了一批产业公司，我国3D打印技术发展已经具备赶超发达国家的技术基础。北京航空航天大学、西北工业大学的金属材料激光快速成形技术攻克了长期制约金属材料3D打印的关键技术问题，成功应用于航空领域，技术水平居世界领先地位，为下一步发展奠定了技术基础。北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学和中航工业北京航空制造工程研究所等高校和科研结构形成了一批高水平专家队伍，为下一步发展奠定了人才基础。北京隆源自动成型系统有限公司、北京太尔时代科技有限公司，西安铂力特激光成形技术有限公司、华曙高科和武汉滨湖机电技术产业有限公司等3D打印公司形成了自己的产品特色，业务稳步增长，为3D打印技术的产业化发展奠定了产业基础。发达国家3D打印技术仍不成熟，为我国3D打印技术留下了赶超的时间窗口。总体上，3D打印技术仍处于技术积累期，尚有大量核心关键技术待攻克和突破，整体技术水平还有待提升，产业模式还有待拓展，相对传统高级制造业，发达国家在技术上领先幅度并不大，为我国赶超世界先进技术水平留下了机会。(三)我军武器装备发展模式正在向自主创新转变，对3D打印技术的发展提出了迫切需求

当前，新一轮工业革命已经吹响了号角，新型数字化制造特别是3D打印技术的发展为新工业革命的即将来临提供了无限遐想，我国正在按照国防和军队现代化建设“三步走”战略构想，加紧完成机械化和信息化建设双重历史任务，国防科技和武器装备的发展模式正在由跟踪模仿向自主创新转变，对3D打印技术的发展提出了迫切的需求。3D打印技术是满足武器装备研制对快速制造需求的有效手段。近年来，新型武器装备的研制显著提速，仅仅在航空领域就有歼-20、歼-

15、歼-

31、运-20等多种型号军用飞机在同步研制。复杂武器装备研制是一个重复迭代过程，每一轮设计调整到实验都需要制造原型机，传统制造方式需要制造模具，时间长、花费多，常常造成新型武器装备研制周期长、成本高。3D打印技术可直接根据数字化设计制造零件，可以大大节约样品制作时间，极大地缩短产品的研制周期，降低研制成本。3D打印技术是满足高性能武器装备生产对复杂结构制造需求的有效手段。3D打印技术几乎可以成型任意形状的零件，特别适用于制造具有复杂内部结构的零件，如制造复杂的钛合金结构部件，具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片，内部材料和结构复杂的坦克装甲等关键武器零部件。

(四)发达国家大力发展3D打印技术，对我国3D打印技术的发展提出了严峻的挑战近年来，美、英、日等发达国家高度重视3D打印技术，大力推进3D打印技术发展，技术研发与产业应用不断取得重要进步，有进一步拉大与我领先优势的趋势，我国3D打印技术面临严峻挑战。一方面，美国、英国等将3D打印技术列为国家重点发展技术，集全国之力进行发展，抢占发展先机。2012年，美国在重整制造业计划中将3D打印技术列为重点发展的11项技术之一，并作为其“全美制造业创新网络”首家研究中心的主要研究方向[8]。英国技术战略委员会也在“未来的高附加值制造技术展望”中，将3D打印增材制造作为提升国家竞争力，应对未来挑战的22个应优先发展技术之一。2013年1月，英国、德国、法国、意大利的产业界、学术界和政府间组织联合启动投资2千万欧元的欧洲3D打印技术研究计划，研究利用增材制造原理快速加工无缺陷零废料的大尺寸金属零件的技术，这是目前欧洲在3D打印领域最大的研究合作机构和计划。2014年，日本投入3960万美元启动国家3D打印项目，开展3D打印设备和精密3D成形技术的研发。另一方面，美国等发达国家的3D打印技术研究取得重要进展，技术成熟度及性能显著提升。2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件。3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。美国太空制造公司的太空3D打印技术已具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014年向国际空间站运送了首台3D打印机[8]。最后，欧美已形成了包含材料制备、软件开发、装备生产和应用服务等相对完整的产业链条，领先的产业格局基本形成。美国3D systems、Stratasys公司、德国EOS公司的营业收入遥遥领先，已形成了寡头垄断的市场竞争格局。2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，其中美国和欧洲占据了25亿美元。按国家统计工业级3D打印机数量，美国占38%，日本占9.7%，德国占9.4%，我国仅占8.7%。随着3D打印技术的发展与广泛应用，我国传统制造业优势将不复存在。如果我国不能抓住3D打印技术发展机会，我国的制造业将面临严峻的挑战，美国甚至称“技术进步将使中国的制造业像过去20年里美国制造业那样迅速衰落”。

三、启示建议 着眼我国国情、军情，以及3D打印技术发展现状，为加快推进3D打印技术的发展与应用，要加强组织管理，开展基础研究和标准规范研究，加强3D打印材料和软件技术研发。

(一)加强组织管理，为3D打印技术发展与应用创造政策支撑条件

3D打印技术发展与应用涉及技术广、覆盖领域宽、影响范围大、特别是对现代工业体系和制造领域影响显著，必须坚持创新驱动发展战略，加强管理和顶层设计，为我国3D打印技术发展与应用的科学有序展开奠定基础。一是要从国家层面重视对3D打印技术发展的规划设计，做到统一发展规划、统一资源配置、统一技术体制、统一基础设施建设，确保3D打印技术发展与应用的科学实施，防止规划乱象，标准不一。二是要突出需求牵引，深入分析我国3D打印技术发展与应用的目标、方向和重点，坚持把技术应用好作为衡量技术发展的基本准则，把实现应用的社会效益、军事效益和经济效益作为核心目标，切实提高3D打印技术水平。三是要深化系统管理，充分考虑3D打印技术发展政策、产业发展政策、财税支持政策等因素，运用系统管理的理论与方法综合全面地对3D打印技术发展与应用的相关要素实施最优化配置和前瞻规划。

(二)开展基础研究和技术标准规范研究，为3D打印技术发展与应用提供基础支撑

基础研究和标准规范研究是推动3D打印技术发展和应用的根本保证，应在国家和军队数字制造发展计划框架下，加强制造原理、方法、工艺、材料、标准和规范等方面的研究创新，为3D打印技术发展与应用打下基础。一是开展基础研究，进一步提高3D打印的成形精度与打印速度，研发出更多可供3D打印的材料，使3D打印技术能够更好地满足应用需求。开展3D打印制造原理、方法、工艺、设备的基础研究，加强粉末原材料、材料工艺、成形工艺等基础技术研究，进一步提升3D打印的精度和效率；开展各类3D打印工艺的机理分析，提供工艺优化基础，支持与3D打印配套的工艺基础理论研究；开展激光器、振镜、光路系统等关键零部件的研发与制造。二是研究共性技术与标准规范，推动技术标准规范军民一体化，加快3D打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用。研究3D打印的创新原理、方法及其相关支撑技术，包括新材料、新器件（激光器）、智能控制、设计软件、网络数据库、新成形原理、新的设备工艺、巨型结构3D打印、微纳3D打印、太空环境制造等共性技术；为支撑3D打印共性技术快速产业化，研究相关标准与规范，包括材料性能标准、软件接口标准、制造质量标准、制造工艺规范和元器件性能标准等。

(三)加强3D打印材料和软件技术研发，满足打印需求

3D打印技术发展分析 第3篇

关键词：3D打印技术；产业发展；前景；分析

中图分类号： TP751 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）32-95-2

0 引言

目前3D打印技术正在迅速的发展，并且在诸多领域获得了一定的发展空间，其技术的应用与发展，不但受到我国社会的热烈议论，也得到了世界其他国家的高度重视。根据相关资料显示，3D打印技术的发展范围会伴随社会的发展，迈向更大的发展空间，与此同时，3D打印技术也会在未来发展中，呈现个性化的发展，其不但能够促进全世界范围内制造产业的经济发展，也会对整体人类社会产生一定的积极意义。

1 3D打印技术概述

3D打印技术具体指的是借助不间断的物理层叠加，每一层都要添加材料生产三维实体的技术，和以往的去除材料加工有明显的差异，所以也叫作添加制造。3D打印技术是综合性技术，其综合了信息技术，材料科学、化学，数字个建模技术等多方面的先进技术知识，科学技术含量非常高。3D打印的主要配置是3D打印机。是集合计算机技术、机械与控制等作为一个整体的复杂机电一体化体系，成型环境、高精度机械系统等构成，除此之外，打印工艺、控制软件、全新的打印材料等构成了3D打印技术体系。就当前的发展状况来看，3D打印技术具体被应用在艺术创作、产品原型、珠宝制造等范围，依靠其技术取代以往的精细加工工艺。3D打印能够在一定程度提高制造的精密度。与此同时，3D打印技术也会应用在建筑、生物工程及服装等领域，3D打印技术的应用，为创新创造了巨大的空间，譬如：在2010年，美国与澳大利亚公司联合，想要把活体细胞当作“墨水”打印到人体的器官与组织中，这在一定程度上能够推动医学领域的创新。

2 探究3D打印技术中应用的主要技术原理

2.1 3DP技术

此技术是把粉末借助喷头送出，之后三维模型切片后获取的二维层面会喷射出黏结剂，其工艺的主要特征是：资金投入较少、迅速成型，与此同时，粉末在成型中起支撑的意义，成形后易去除，在打印全彩色实体时，可应用此技术。

2.2 SLA技术

此技术是基于液态光敏树脂在功率与波长的紫外激光照射之下出现光聚合反应原理，完成固化成形。工艺的主要优点是：表面质量非常好、制造精度较高，材料能够得到充分利用。此技术可用在形状烦琐与工艺品的加工上。

2.3 FDM技术

此技术是应用热塑性材料的粘接性与热熔性，借助计算机控制，堆积成形。工艺的主要优势是：成形零件的力学性能非常强、制造资金投入较低，可以应用在快速模具的制造。

3 3D打印技术和产业发展的状况

当前我国已有诸多高校开始对3D打印技术进行自助研发，其不但确定了3D打印技术的分层实体制造程序，并且在一定程度上提高了FDM工艺，形式多样的大学对3D打印技术的探究，存在的优势具有明显的差异，部分大学占据制造工艺优势，部分大学的优势是三维打印喷头的研究。但是，我国的3D打印技术研究能力和世界其他国家相对比，还存在一定的差距，需要逐渐健全与优化，促使我国的3D打印技术能够更具先进性。

目前我国部分城市中的企业已经完成了3D打印机整机生产与向外销售，上述企业具备的共同特点是，海外归国团队创建的，其范围非常小，和世界其他国家的生产相同种类的产品相比较，其产品技术非常低。与此同时，我国生产的3D打印机，无论是打印精度还是打印速度而言，都不能满足商用提出的要求，因此，需要逐渐提高技术能力。在服务范围，我国经济发达地区的产业中，3D打印配置已经普遍化，与此同时，借助应用此配置，实现了商业化快速成型服务，此服务领域不但包含样品制作，也包含文物复原、辅助规划等范围，由此可以得知，3D打印技术在我国发展中的广泛程度。

4 探究3D打印产业的未来发展前景

参照相关报道得知，全世界范围内的3D打印产业产值到2016年，包含配置制造与服务范围内的产业总产值是31亿美元，到2020年会达52亿美元。

但是3D打印技术需要得到提升和产业应用空间，当前仍旧面临诸多挑战及有待解决的问题，譬如：其一，效率、精度与速度。当前3D打印成品的精度仍旧不符合大众提出的标准，打印效率与大范围生产相对比，存在较为明显的差距，与此同时，受到打印机工作原理的影响，打印精度和打印效率存在一定矛盾；其二，就成本而言，当前的3D打印机的造价一般非常昂贵，对其进一步发展，造成了一定的限制；其三，产业环境而言，3D打印技术的大规模应用，促使产品更易扩散与复制，增加了制造业的盗版风险，当前具备的知识产权保护体制还不能和产业的发展相吻合；其四，就打印材料而言，当前的3D打印成型材料大部分使用的是化学聚合物，其选择具备一定的局限性，成型品的物理特性非常差，与此同时，存在安全隐患。

在2011年，某公司发布了最新的技术发展目标方案中，可以得出：3D打印技术正在迈向概念炒作的时期，其技术还需要得到全面的提升，主流市场也需要实施更进一步的培养。相关研究工作者提出，至少需要5-10年，3D打印技术才能成熟到与时代发展相吻合，在其较为漫长的发展中，产业存在增长期落空、资金投入中断等可能性。总而言之，就中长期而言，3D打印产业具备非常宽广的发展前景，但是当前其产业还未成熟，仍旧需要大力提升。针对3D打印市场范围的短期发展不适合过度估算。所以，当前产业范围针对3D打印范围的投入措施是：提升创新研发力度，主要任务是引进技术与技术储备，特别要重点维护与构建自主知识产权，力争其能够在日后激烈的市场竞争中，具备强有力的竞争实力，但是当前受到概念炒作的限制，在技术还未健全的状况下，进行大范围的产能扩张，由此导致投资回报存在一定的风险性。

5 3D打印技术的未来发展态势

伴随智能制造逐渐趋于完善化、成熟化，在制造领域中，大范围应用了全新的信息技术、材料技术等，由此，3D打印技术也逐渐推向更高的阶段。在未来的发展态势中，3D打印技术会更具智能性、便捷性、精密化等优点。

提高3D打印的精度、速度等，拓展多材料打印、并行打印等工艺方式，提升成品的表层质量、物理性能，以满足直接面对产品制造：创新出诸多形式3D打印材料，如纳米材料、复合材料、智能材料等，未来的研究与应用热点可能变成金属材料直接成型技术，3D打印机体积具有桌面化、小型化、资金投入较小，操作更简单，也更加符合分布化制造、规划、生产的目标。和家庭生产的需要。软件内的集成化，CAPP/CAD的集成化，促使生产控制软件和规划软件可以巧妙融合，完成设计人员直接联网控制的远程在线生产。除此之外，拓宽3D打印技术在车辆、生物医学等行业的广泛应用。

6 结语

综上所述，文章是针对3D打印技术和产业的发展及其前景，展开的深入全面的探究，并且全面分析了3D打印技术的主要技术原理、技术与产业的发展具体状况、未来发展前景及未来发展态势。提出了针对性的建议。其主要的目的是，促使3D打印技术能够得到迅速的发展，并且能够应用到世界范围内的各个行业当中，发挥其存在的最大价值。

参 考 文 献

[1] 王雪莹.3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（26）.

[2] 王雪莹.3D打印技术及其產业发展的前景预见[J].创新科技，2012（12）.

[3] 吴菲菲，段国辉，黄鲁成.基于团队识别的3D打印技术发展前景分析[J].情报杂志，2013（08）.

[4] 陈妮.3D打印技术在食品行业的研究应用和发展前景[J].农产品加工（学刊），2014（16）.

[5] 孙建明，童泽平，殷志平.3D打印技术的市场应用及发展前景分析[J].现代商贸工业，2014（18）.

3D打印技术发展分析 第4篇

【作者简介】杨海成:1959年出生, 1981年12月毕业于西北工业大学飞机制造工程专业, 研究生阶段师从我国飞机制造工程领域的开创者、飞机制造业泰斗、著名飞机制造工程专家杨彭基教授。1990年获西北工业大学航空宇航制造工程专业博士学位, 1992年4月被聘为教授, 1993年12月被国务院学位委员会聘为博士研究生导师。1992年4月-1995年3月担任西北工业大学飞行器制造工程系主任, CAD/CAM国家专业实胗室主任。1995年4月-1996年5月在美国康奈尔大学机械与航空工程系作高级访问学者。1996年7月担任西北工业大学副校长, 19卯年10月起担任西北工业大学常务副校长.同时还兼任原任西北工业大学常务副校长、博士生导师。现任中国航天科技集团总工程师, 中国机械工程学会副理事长, 中国工业设计协会副理事长’国家863计划智能制造组专项专家组组长’国家863计划自动化领域专家组组长’国家科技部3D打印制造专项专家组组长’国家陕西省青年科技工作者联合会理事长, 陕西省科学技术协会副主席等职.科技攻关计划“制造业信息化工程”总体组组长, 国家信息化咨询专家委员会委员, 国家两化融合创新推进联盟理事长, 国家电子商务创新联盟理亊长, ERP产业技术联盟理亊长, 北京神舟般天软件技术有限公司董亊长, 《中国制造业信息化》《计算机集成制造系统一一CIMS�和《数字军工》杂志主编, 西北工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、南京理工大学兼职教授、博士生导师, 多年来, 杨海成教授一直致力于国防科技、型号预研、国民经济重大关键技术、国家高技术发展 (863) 计划、国家科技攻关计划、制造业信息化等国家重大项目的研究、开发、组织、管理和产业化, 为中国的制造业信息化、先进制造技术的发展做出了杰出的贡献.先后披授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者"“国家级中青年有突出贡献专家"、国家“百千万人才工程"首批人选、“863计划有突出贡献专家”等多种荣誉称号;获省、部、国家级科技奖多项;出版了多本专著, 发表了多篇国内外有影响的论文.以新兴信息技术主导的新一轮科技革命正在全世界范围内进行, 在这场科技革命中, 最引人注目的是以3D打印、协同制造、智能制造等为核心的数字化制造技术引发的制造业的革命。“第三次工业革命即将到来”, 它将是信息技术与制造业的深度融合、以制造业数字化为核心的新一轮产业变革, 将带动整个制造业的升级换代, 并对人类经济活动和社会生活产生根本性影响。美国、德国、英国、日本等世界主要发达国家纷纷实施以重振制造业为核心的"mm:awm济”的国家战略。对我国而言, 这既是极其重要的战略机遇, 也是极其严峻的新挑战, 如何认识及如何应对将对我国制造业乃至国家的发展产生深远影响。3D打印制造 (增材制造) 技术是现代信息技术和制造技术融合的产物, 丰富和发展了制造技术的内涵和产业形态, 是现代先进制造技术的重要发展方向之一。3D打印制造技术将从产品设计、制造工艺过程、生产装备、材料制备、相关工业标准、制造企业形态等多个方面, 为制造业带来新的发展。一、3D打印制造技术对我国制造业发展的影响分析党的十八提出, 2020年全面建成小康社会、工业化基本实现的重大战略部署。从现在到2020年, 也是我国进入制造强国行列、基本实现工业化的关键时期。对于我国当前经济社会发展现状来看, 积极有序地发展3D打印制造技术对提高我国制造业总体水平、提升我国制造业创新能力、促进传统产业转型升级以及加速推动从制造大国向制造强国转变, 都具有特别的战略意义^首先, 发展3D打印制造技术是提升我国制造业总体水平的突破口。基于以增材制造为特征的3D打印制造与工艺技术, 能够突破零部件的结构几何约束, 制造出传统方法无法加工的非常规结构特征, 这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。同时, 3D打印制造技术通过与传统制造工艺 (如铸造、金属冷喷涂、硅胶模、机加等工艺) 相结合’能够极大提升工艺制造能力。此外, 由于3D打印制造所需的模具、工装、刀具等工艺资源较少, 能够显著降低工艺准备周期及制造成本。其次, 励如印制造技术是提升我国制造业产品创新能力, 实现从“中国制造”走向“中国创造”的重要途径。设计人员不再受传统工艺和制造资源约束, 专注于产品形态创意和功能创新, 在“设汁即生严“设计即产品”理念下, 追求“创造无极限”, 同时, 在制造环节, 由于简化了工艺准备、试验傲产品hs®的断、制造、分析髙度一体化技术能够得到广泛应用, 显著缩短了新产品幵发、定型周期。此外, 设计人员在设计过程中, 可以设计出空心/多孔结构、异质材料功能梯度结构, 并配合合金/复合材料等高性能材料的使用7可以实现产品结构轻量化和高性能, 提升产品质量。再次, 发展3D打印制造技术能够变革传统制造模式, 促进制造与服务融合发展, 对我国制造业发展方式的转变和产业结构的升戮的騎。31^1印制造技术能够极大降低定制化成本, 促使我国制造业从粗放的大规模生产方式, 向向“按需定制”“因人定制”的个性化定制方式发展, 激发个性化制造市场活力。同时, 3D打印制造技术便于设计、工艺知识传递, 为“社会化制造”“泛在制造”提供了技术基础, 能够均衡、有效地利用社会化制造资源》此外, 3D打印制造技术的发展还将催生和培育新型专业化创新服务模式’如众包创意设计、专业产品设计、委托加工、数据服务等制舰务业, 促进产业向价值链高端的两头拓展, 实现制舰与服务业融合发展》也将进一步推动众包创意设计、个性化定制、专业化服务和绿色制造等新兴制造模式, 促进产业升级和结构优化。二、我国3D打印制造技术发展情况我国对3如印制造技术的研究, 已经有了长达20多年的探索和积累。在科技部、国防科工局、教育部、发改委、总装等部委以及一些地方輔的支持和重大工程需求的拉动下, 我国3D打印制造技术尤其是工艺装备得到了长足的发展。我国3D打印制造技术水平与发达国家差距不大, 一些技术领域已经达到国际领先水平, 形成了体系结构基本完整的3D打印制造技术研发与服务体系, 研制了一批先进的工艺装备, 并得到了初步应用。fe D打印制造基础技术方面, 华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空625所相继开展了熔融沉积制造、电子束融合技术、选择性激光烧结等财研究。这些研究成果在航空发动机叶片制造、飞机承力件制造、汽车车型开发、傅化骨科植入、颌骨重建和义齿加工等方面得到了应用o在3D打印制造装备研制方面, 我国已成功研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区溶化、激光近成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备。在3如印制造产业化发展方面, 我国已经涌现出30多家3如印制造技术设备制造与服务企业。并在上海、深圳、宁波等地相继出现了一批3D打印制造技术服务中心与公共服务平台, 辅助当地企业的新产品快速开发, 为个性化的家电、数码等产品的快速研发与更新换代纖了技术支撑。三、我国3D打印制造技术面临的瓶颈问题虽然我国在3D打印制造技术研发和产业发展方職得了长足进步或者局部领先, 但总体上仍面临巨大挑战。一是在材料成形机理、关键技术、装备开发.工业标准等方面还面临大量翻理论和关键技术尚未突破, 未能形成原创技术源泉。材糖性研究及材離系构建、材料制备装备、成形过程与性能控制、缺陷检测与控制、先进工艺装备研发等方面还需要进一步开展研究。3D打印制造装备所需的大功率激光器、工业喷头和高精度控制器等核心零部件目前还没有突破。二是我国尚未形成3D打印制造公共技术平台, 创新资源集中度低。当前’科研机构各自为战, 合作研究的动力不足, 缺乏对技术兼容性研究和相关标淮的制定, 开放式的集成创新体系尚未形成。三是我国3D打印制造产业化尚处于萌芽阶段, 金融资本参与度不高, 产业缺乏资金支持。在我国, 直接从事3DJI印业务的企业多属于典型的中小企业, 产值杆万量级以下, 多数企业处于生存边缘’盈利艰难。从全产业链的角度来看, 尚未形成精细化分工’总体呈现产业发展初期的“作坊式”生产模式, 劣质产品多, 知识产权意识弱, 缺乏产品标准和客观权威的评测。四是工程化应用技术研究不够, 尚未形成具有广泛工程意义的完

制造业创新能力、促进传统产业转型升级以及加速推动从制造大国向制造强国转变, 都具有特别的战略意义^首先, 发展3D打印制造技术是提升我国制造业总体水平的突破口。基于以增材制造为特征的3D打印制造与工艺技术, 能够突破零部件的结构几何约束, 制造出传统方法无法加工的非常规结构特征, 这种工艺能力对于实现零部件轻量化、优化性能有极其重要的意义。同时, 3D打印制造技术通过与传统制造工艺 (如铸造、金属冷喷涂、硅胶模、机加等工艺) 相结合’能够极大提升工艺制造能力。此外, 由于3D打印制造所需的模具、工装、刀具等工艺资源较少, 能够显著降低工艺准备周期及制造成本。其次, 励如印制造技术是提升我国制造业产品创新能力, 实现从“中国制造”走向“中国创造”的重要途径。设计人员不再受传统工艺和制造资源约束, 专注于产品形态创意和功能创新, 在“设汁即生严“设计即产品”理念下, 追求“创造无极限”, 同时, 在制造环节, 由于简化了工艺准备、试验傲产品hs®的断、制造、分析髙度一体化技术能够得到广泛应用, 显著缩短了新产品幵发、定型周期。此外, 设计人员在设计过程中, 可以设计出空心/多孔结构、异质材料功能梯度结构, 并配合合金/复合材料等高性能材料的使用7可以实现产品结构轻量化和高性能, 提升产品质量。再次, 发展3D打印制造技术能够变革传统制造模式, 促进制造与服务融合发展, 对我国制造业发展方式的转变和产业结构的升戮的騎。31^1印制造技术能够极大降低定制化成本, 促使我国制造业从粗放的大规模生产方式, 向向“按需定制”“因人定制”的个性化定制方式发展, 激发个性化制造市场活力。同时, 3D打印制造技术便于设计、工艺知识传递, 为“社会化制造”“泛在制造”提供了技术基础, 能够均衡、有效地利用社会化制造资源》此外, 3D打印制造技术的发展还将催生和培育新型专业化创新服务模式’如众包创意设计、专业产品设计、委托加工、数据服务等制舰务业, 促进产业向价值链高端的两头拓展, 实现制舰与服务业融合发展》也将进一步推动众包创意设计、个性化定制、专业化服务和绿色制造等新兴制造模式, 促进产业升级和结构优化。二、我国3D打印制造技术发展情况我国对3如印制造技术的研究, 已经有了长达20多年的探索和积累。在科技部、国防科工局、教育部、发改委、总装等部委以及一些地方輔的支持和重大工程需求的拉动下, 我国3D打印制造技术尤其是工艺装备得到了长足的发展。我国3D打印制造技术水平与发达国家差距不大, 一些技术领域已经达到国际领先水平, 形成了体系结构基本完整的3D打印制造技术研发与服务体系, 研制了一批先进的工艺装备, 并得到了初步应用。fe D打印制造基础技术方面, 华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空625所相继开展了熔融沉积制造、电子束融合技术、选择性激光烧结等财研究。这些研究成果在航空发动机叶片制造、飞机承力件制造、汽车车型开发、傅化骨科植入、颌骨重建和义齿加工等方面得到了应用o在3D打印制造装备研制方面, 我国已成功研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区溶化、激光近成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备。在3如印制造产业化发展方面, 我国已经涌现出30多家3如印制造技术设备制造与服务企业。并在上海、深圳、宁波等地相继出现了一批3D打印制造技术服务中心与公共服务平台, 辅助当地企业的新产品快速开发, 为个性化的家电、数码等产品的快速研发与更新换代纖了技术支撑。三、我国3D打印制造技术面临的瓶颈问题虽然我国在3D打印制造技术研发和产业发展方職得了长足进步或者局部领先, 但总体上仍面临巨大挑战。一是在材料成形机理、关键技术、装备开发.工业标准等方面还面临大量翻理论和关键技术尚未突破, 未能形成原创技术源泉。材糖性研究及材離系构建、材料制备装备、成形过程与性能控制、缺陷检测与控制、先进工艺装备研发等方面还需要进一步开展研究。3D打印制造装备所需的大功率激光器、工业喷头和高精度控制器等核心零部件目前还没有突破。二是我国尚未形成3D打印制造公共技术平台, 创新资源集中度低。当前’科研机构各自为战, 合作研究的动力不足, 缺乏对技术兼容性研究和相关标淮的制定, 开放式的集成创新体系尚未形成。三是我国3D打印制造产业化尚处于萌芽阶段, 金融资本参与度不高, 产业缺乏资金支持。在我国, 直接从事3DJI印业务的企业多属于典型的中小企业, 产值杆万量级以下, 多数企业处于生存边缘’盈利艰难。从全产业链的角度来看, 尚未形成精细化分工’总体呈现产业发展初期的“作坊式”生产模式, 劣质产品多, 知识产权意识弱, 缺乏产品标准和客观权威的评测。四是工程化应用技术研究不够, 尚未形成具有广泛工程意义的完

备技术体系, 工程领域和产业界对3D打印制造技术需求不够迫切, 技术发展缺乏市场的强大牵引。四、3D打印制造技术发展与应用趋势国外3D打印制造技术发展与应用趋势, 主要可分为五大方面:一是从快速原型、工艺辅助等间接制造向零部件直接制造转变。2012年奥巴马政府重振美国制造业实施的《国家制造创新网络计划”首项内容就是组建“国家增材制造创新中心‘, 重点研究用3D打印制造技术直接生产最终零件备的发展, 3D打印制造已从快速原型和工艺辅助等间接制造向金属、陶瓷、复合材料等零部件直接制造转变。二是多学科交叉融合发展, 应用领域不断扩大。3D打印制造技术不仅与装备制造进行深度交叉融合, 与生物医疗、电子制造等学科交叉发展趋势明显, 并逐步应用到航空航天、汽车、模具、生物制造、电子、个人消费品等行业。三是装备向产品化、系列化和专业化方向发展。增材制造·的核心之一是成形装备。欧美及日林该领域处于世界领先水平, 并已形成了众多专业化和规模化增材制造装备生产企业。据�Wohlers Report 2010》统计, 2009年世界范围内生产和销售增材制造装备的知名企业达35家, 欧美占29家之多。四是形成了相对完整的集装备、材料、软件、服务于一体的产业链, 并形成了一定的产业规模和市场销售。欧美国家现已形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理、创意服务和应用等相对完整的产业链。消费产品/电子产品是最主要的应用行业, 汽车其次’医疗/牙斯业已经确定了其重要地位, 处于第三位。其他如工业、航空航天、学术机构、政府/军队、建筑等也获得相应应用。五是3D打印制造装备从高端型走向普及型。3D打印产品从航空航天、汽车、模具等高端领域延伸到与人们生活息息相关的日用品 (如首饰、衣服、自行车等) 。3D打印装备产品价格和技术门槛越来越低, 3D打印产品逐渐由觀和工业等髙職域走向办公、个人消费等大众化领域。五、我国3D打印制造技术产业化发展建议我国3D打印制造财产业化发展距国外发达国家差距明显, 在持续加大对·理论研究、关键共性技术攻关、新雖备及特色工艺研发的同时, 要和步完善3D打印制造技术产业链 (从产品设计、原材料、关键元器件、装备、应用、服务等环节) 的发展, 以重点产业应用示范为主线以提升3D打印制造的科技创新能力为核心, 前瞻布局、突出重点、整合资源, 积极有序地推动3D打印制造技术发展, 突破3D打印制造财产业瓶颈, 数完备的技术创新、产业化与服务支撑体系’掌握产业发展主动权。第一, 行业示范带动, 分类引导产业发展, 探索新的产业化模式。在以技术密集特征的髙端应用领域 (航空航天、生物制造等) 建设相对集中的髙科技创新应用中心’集中发展具有特越用对象的3D打印制造技术, 形成一系列高端应用产业;在以应用密集特征的工ikir挪 (如产品概、mm) 依托3D打印制造技术联盟, 或依托政府建立3D打印制造技术服务中心, 形航品设计、原材料、关觀器件、装备、工业应用服务等完整产业链条, 与传统制造业向融合进行系统创新发展;在具有大众普及特征的个性化消费、创意产业领域 (动漫、礼品、日常消费品等) 依托互联网、云服务技术, 建立3D打印制造云服务平台, 实现集创意、设计、制造、销售为一体的公共创新体系, 支撑产品的创新应用、产业的可持续创新发展。第二, 加强人才队伍建设, 注重多层次人才培养。加强创新团队建设, 培养造就一批支撑创新发展的髙素质人才队伍。建立和完善人才激励机制, 面向高层次创新科技人才, 努力造就一批世界水平的科技领军人才、工程师和髙水平创新团队, 同时培养一批产品设计相关的应用创新型人才和技术操作型人才, 促进3D打印制造技术产业的持续发展。第三, 政府积极引导, 加大政策扶持力度。整合高新技术企业税收优氟科技成果转化.科技融资与担保.孵化器等一系列科技政策和手段, 扩大3D打印制造技术的应用市场, 培育3D打印制造产业, 尽快使我国3D打印制造技术设备制造与服务企业数量及规模增加, 形成基本涵盖装备及核心器件生产、材料制备、软件开发、制造服务的完整的3D打印制造产业链。 (作者单位:中国航天科技集团公司)

浅析3D打印技术的发展前景及对策 第5篇

摘要：3D打印技术，毋庸置疑，已成为可预见未来的核心技术革命之一，其发展之势如日中天，不可逆转。注目时局，高度重视3D打印技术的研发并稳步推进其试点运行将成为积极应对3D打印技术浪潮袭来的应有之态度及举措。

关键词：3D打印技术，发展前景，态度对策

引 言

众所周知，第一次工业革命和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明和电气化的使用为标志，以其强大的生产力解放为基础，深刻地改变了西方资本主义国家甚至整个世界的面貌，有力地推动了世界现代化的历史进程。显而易见，科学技术是第一生产力，更是当今世界格局下各国综合国力比较的核心指标之一，可以说，最新最前沿的科学技术的掌握和最早应用推广，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。那么，当下最值得关心注目的科学技术是什么呢？毫无争议，3D打印技术将占一重要席位且有愈演愈烈之势。

一、3D打印技术的扼要介绍

3D打印技术目前最为引人注目的当推3D打印机，鉴于此，本文将把3D打印机作为其技术典型来探讨。3D打印机诞生于20 世纪80 年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D实体。3D打印过程可分为两步，首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水，然后均匀喷洒粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，没有胶水的区域仍保持松散状态，重复这一过程直到实体模型被“打印”成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似，所以被称为“打印机”。[1]

二、3D打印技术的发展前景

正如著名的《经济学人》最近描述了3D打印技术的前景——这是一种新型的生产方式，能够促成第三次工业革命。根据研究3D打印机的前贤报告，可以从以下四个方面来一窥其势。未来5-10年，随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：

（一）3D打印速度和效率将不断

提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升;

（二）3D打印材料更加多样化。随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料；

（三）3D打印机价格大幅下降。一些较小规模的3D 打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用，3D打印机的价格有望大幅下降。

（四）3D打印机应用领域更加广泛。3D打印机诞生后，早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。[2]

三、3D打印技术的革命意义

3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，那么其对现有的生产关系及模式有何影响呢？据社会科学家研究推测，3D 打印机的推广应用具有重要的革命性意义，主要体现在以下三个方面：

（一）制造工艺的深刻变革。3D 打印的特点在于通过逐层堆积材料进行加工，而不是通过去除多余材料进行加工。因此，这项工艺也被称作“堆积制造”或“添加制造”。这改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间，带来了制造工艺的深刻变革。

（二）制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM 技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3D 打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。

（三）制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3D 打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3D 打印将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。[3]

四、3D打印技术的态度对策

3D打印技术发展前景看好，对社会大生产领域又将带来革命性的意义，那么作为孜孜追求实现中华民族伟大复兴的中国应当仁不让、毫不犹豫地接过这根

技术革命接力棒并奋而追之。古语有云：“知己知彼，百战不殆”诚然，3D打印技术已成世界技术革新之潮流，不可逆转，但首先还是得摸清它对我国是实质性影响，方能更有效地科学判断并理性制策。谈到影响，固然就得一分为二，即积极影响和负面作用。3D打印技术对我国之积极影响首先表现在为我国制造技术的赶超带来机遇。3D打印技术作为一项新兴技术，与其他成熟技术相比，无论在技术创新还是应用上，我国与发达国家之间的差距相对较小，可以在较短时间内缩短差距。其次体现为推动制造业服务化，加快制造业升级。3D打印的推广应用将带动包括3D设计服务、信息服务等生产性服务业的发展，给我国制造业升级带来新机遇。

其负面作用更是不容小觑，应认真分析对待。正如前述，3D打印机的技术特性决定了其不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件和工人劳动力。所以首当其冲的便是对我国劳动密集型产业可能带来巨大冲击。3D打印这一生产模式改变了过去大规模生产线的制造模式，所需工人将大幅减少，使得劳动力成本在生产成本中的比重降低，我国劳动力成本比较优势将进一步被削弱，这对当前以劳动密集型为主的我国制造业将带来较大冲击。另一方面则是可能进一步拉大与发达国家的差距。美欧等发达工业化国家在3D打印机行业处于领先地位，其产品在全球3D打印机行业占有绝大多数市场份额。我国虽然于20世纪90年代开始推进3D打印机的研发，但还主要停留在设计和样机开发，尚没有一款具有国际水平的3D打印机推向市场。如果不加快推进3D打印机的研发及推广应用，我国与发达国家的差距将进一步加大。

简要探讨了3D打印技术对我国的影响，那么应以何姿态去面对并处理好这些客观问题呢？笔者认为，为加快推进3D打印机的快速发展，我国应主要从三个方面着力推进：其一，应高度重视3D打印技术发展。我国应该高度重视3D打印技术可能带来的制造业革命，深入分析全球3D打印技术的发展趋势，研究建立3D打印机的基础理论和技术体系，制定符合我国国情的3D打印机中长期发展战略。其二，加大对3D打印机研发。建议将3D打印机纳入《智能制造装备发展专项》，加大研发投入力度，突破关键核心技术与工艺。加强与发达国家的技术合作，研究建立以现有的几家科研机构为主体，同类主要企业为载体的产业联盟，加强产学研的沟通与交流，尽快将商用打印机推向市场。其三，加快

3D打印机的推广应用和试点示范。选择高端汽车零部件、医疗等重点行业领域进行推广应用和试点示范，积极探索和积累3D打印机的运营和管理经验。[4]

综上所述，3D打印技术是方兴未艾的在可预见未来的核心技术革命之一，在全世界社会大生产领域内势必将引发深刻的革命性意义，我国应高瞻远瞩，及时果断地把握好时代气息，积极有效地应对好3D打印技术并使之为实现中国梦和中华民族的伟大复兴而服务。

参 考 文 献

[1] 刘欣灵,《3D打印机及其工作原理》,《网络与信息》,2012年8月版

[2] 潘巍,《3D打印机：进入主流指日可待》,《微电脑世界》,2012年12月版

[3] 汤敏,《3D打印机将极大冲击中国市场》,《上海企业》,2013年1月10

[4] 同上

现 代 科 学 技 术 课 程 论 文

学院：马克思主义学院

专业：中国近现代史基本问题研究姓名：徐文滔

3D打印技术发展分析 第6篇

引言

众所周知，第一次工业革命和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明和电气化的使用为标志，以其强大的生产力解放为基础，深刻地改变了西方资本主义国家甚至整个世界的面貌，有力地推动了世界现代化的历史进程。可以说，最新最前沿的科学技术的掌握和最早应用推广，将是未来国家间竞争的重要体现和地位分水岭。那么，当下最值得关心瞩目的科学技术是什么呢？毫无争议，3D打印技术将占一重要席位且有愈演愈烈之势。

3D打印技术的扼要介绍

我们有必要先搞清楚，什么是3D打印？ 3D打印（三维打印）是增材制造技术的俗称。3D打印，名为“打印”实为“制造”，结合智能数字化，更可实现“创造”！实际上，在大量的英文文献中，3D打印常被称作3D制造，这更准确的描述了3D打印的本质。与传统的“切削去除材料”的加工技术（如3D雕刻）完全不同，3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可热熔黏合材料，通过分层加工、叠加成型的方式“逐层增加材料”来生成3D实体。由于可采用各种各样的材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张，甚至巧克力、人体干细胞等），而且可以自由成型，所以3D打印技术是名副其实的“万能制造机”。

3D打印技术的未来发展方向

正如很多科学前沿文章描述的3D打印技术——这是一种新型的增材制造方式，和以住触动世界的生产方式不一样，这一次预示着第三次工业革命的开始。我们可以从以下五个方面来一窥其势：

（1）目前3D打印速度和效率不高，不利于其普及应用，随着制造工艺的改进，打印速度和效率会有很大程度的改观。

（2）目前的3D打印机，以单喷头为主，一次只能打印一种材料。随着技术的成熟，材料更加多样化，也可以打印几乎所有的颜色。

（3）设备成本大幅下降。价格从数万元降到几千元，到那时，每个人都买得起，家家户户都可以拥有自己的3D打印机。

（4）打印精度更高，表面质感更好，打印出来如同工厂生产般精致，可以直接使用。

（5）使用体验更简单易用，如针对家庭等民用市场的3D打印机，会具备更家电化的外观，操作上也会更简单，就像操作微波炉、电饭煲一样方便。

3D打印技术的对于中国制造业带来的影响

3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，那么对现有的生产关系及模式有何影响呢？据社会科学家研究推测，3D打印技术对当代中国制造业的高速增长有着重要的革命性意义，主要体现在以下三个方面：

（1）随着3D打印的普及，个性化定制将成为重要的生产模式。3D打印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。激发个性化需要，形成一个新兴的文化创意制造产业，并增加社会就业。

（2）动用3D打印技术能够缩短产品开发时间，创新速度将大大加快，新产品将以更快的速度进入市场。

（3）利用3D打印技术，越来越多的公司将能提供3D打印服务，应用的趋势越来越个人化，这样能够极大地提高个人的创造力，将创新的能力交还给每个人，实现个性化的制造，发明家和产品设计师将大量涌现。

3D打印技术的推广应用

快速发展3D打印技术的推广应用，笔者认为，现阶段主要从以下几个方面分析研究：

其一，从历史的高度，着眼于3D打印技术的发展。从研究机构、高等学校从上至下深入研发3D打印技术以及新材料的研发，高校成为3D打印技术的实验基地，研发出新产品材料样本，建立3D打印机枝术的基础理论和体系，服务于地区发展。

其二，加强对3D打印技术的普及教育。把3D打印技术引入课堂扩大受众群体，加强产学研的沟通与交流，将研究成果应用在实际项目中，将3D打印产品推向市场。

其三，加快3D打印机技术的推广应用和试点示范。选择适合3D打印技术的高端、有潜力的行业领域进行试点应用，在此过程中探索完善3D打印运营模式，制定3D打印机应用中长期发展战略。

综上所述，3D打印技术是方兴未艾的在可预见未来的核心技术革命之一，在全世界社会大生产领域内势必将引发深刻的革命性意义，我们应高瞻远瞩，及时果断地把握好时代气息，把3D打印发挥的无限精彩。

增材制造(3D打印)技术发展 第7篇

增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”(material increse manufacturing)、“快速原型”(rapid prototyping)、“分层制造”(layered manufacturing)、“实体自由制造”(solid free-form fabrication)、“3D打印技术”(3D printing)等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。

美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程,相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术,3D打印也常用来表示“增材制造”技术,在特指设备时,3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。

从广义的原理来看,以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法,都可视为增材制造技术。

增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品,其制造的速度作用越显著。近年来,增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。该技术一出现就取得了快速的发展,在各个领域都取得了广泛的应用,如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造,这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显著的作用。美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”,认为该技术改变未来生产与生活模式,实现社会化制造,每个人都可以成为一个工厂,它将改变制造商品的方式,并改变世界的经济格局,进而改变人类的生活方式。

美国专门从事增材制造技术咨询服务的Wohlers协会在2013年度报告中对行业发展情况进行了分析。2012年增材制造设备与服务全球直接产值22.04亿美元,2012年增长率为28.6%,其中,设备材料:10.03亿美元,增长20.3%,服务产值:12亿美元,增长36.6%,其发展特点是服务相对设备材料,增长更快。在增材制造应用方面,消费商品和电子领域仍占主导地位,但是比例从23.7%降低到21.8%;机动车领域从19.1%降低到18.6%;研究机构为6.8%;医学和牙科领域从13.6%增加到16.4%;工业设备领域为13.4%;航空航天领域从9.9%增加到10.2%。在过去的几年中,航空器制造和医学应用是增长最快的应用领域。目前美国在设备的拥有量上占全球的38%,中国继日本和德国之后,以约9%的数量占第四位。在设备产量方面,美国3D打印设备产量最高,占世界的71%,欧洲以12%、以色列以10%位居第二和第三,中国设备产量占4%。

1 国际发展状况

国际上增材制造经过20多年的发展,美国已经成为增材制造领先的国家,3D打印技术不断融入人们的生活,在食品、服装、家俱、医疗、建筑、教育等领域大量应用,催生许多新的产业。增材制造设备已经从制造业设备成为生活中的创造工具。人们可以用3D打印技术自己设计的物品,使得创造越来越容易,人们可以自由地开展创造活动。创造活力成为引领社会发展的热点。增材制造技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式,欧美等发达国家和新兴经济国家将其作为战略性新兴产业,纷纷制定发展战略,投入资金,加大研发力量和推进产业化。

美国奥巴马总统在2012年3月9日提出发展美国振兴制造业计划,向美国国会提出“制造创新国家网络”(NNMI),其目的在夺回制造业霸主地位,要以一半的时间和费用完成产品开发,实现在美国设计,在美国制造,使更多美国人返回工作岗位,构建持续发展的美国经济。为此,奥巴马政府启动首个项目“增材制造”,初期政府投资3 000万美元,企业配套4 000万元,由国防部牵头,制造企业、大学院校以及非盈利组织参加,研发新的增材制造技术与产品,使美国成为全球优秀的增材制造的中心,架起“基础研究与产品研发”之间的纽带。美国政府已经将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。

2012年的增材制造设备市场延续近年的发展好形势,销售数目和收入的增加让销售商从中获益,进一步推动了美国股票价格的增长。2012年,增材制造技术通过主要出版物、电视节目甚至电影的方式涌入公众的视野。2012年4月,在Materialise公司(比利时)的世界大会上,举办了一场时装秀,展出了快速成型制造的帽子和饰品。

据调查,价格低于2 000美元的设备多用于科学研究或个人,对行业产值影响不大。行业发展主要依赖于专业化设备性能的提高。目前,专业化设备主要销往美国市场。由于经济不景气隐藏的潜在客户被挖掘,并随着设计与制造的快速增长,快速成型制造行业也得以发展。在美国明尼苏达州明尼阿波利斯市举行的年度快速成型会议上,Materialise公司(比利时)的创始人兼首席执行官Wilfried Vancraen因其对快速成型行业的广泛贡献被授予行业成就奖。增材制造技术发展呈现以下特点。

a)增材制造产业不断壮大

在快速成型企业中正在进行公司间的合并,兼并的对象主要是设备供应商、服务供应商以及其他的相关公司。其中最引人注目的是Z Corp.公司被3D System公司收购,还有Stratasys公司计划与Objet公司合并。Delcam公司(英国)收购了快速成型软件公司———Fabbify Software公司(德国)的一部分。据预计,Fabbify Software会在Delcam公司的设计及制造软件里增添快速成型应用项。3D Systems公司购买了参数化计算机辅助设计(CAD)软件公司Alibre公司,以实现对计算机辅助设计(CAD)和3D打印的捆绑。2011年11月,EOS公司(德国)宣布该公司已经安装超过1 000台的激光烧结成型机。11月初,3D system公司在宣布收购Huntsman公司(德州,林地)与光敏聚合物及数字快速成型机相关的资产;随后又宣布兼并3D打印机制造商Z Corp(马萨诸塞州,伯灵顿市),这次兼并花费了1.52亿美元。

b)新材料新器件不断出现

Objet公司发布了一种类ABS的数字材料以及一种名为Vero Clear的清晰透明材料。3D Systems公司也发布了一种名为Accura Cast Pro新材料,该种材料可用于制作熔模铸造模型。同期,Solidscape公司(梅里马克,新罕布什尔州)也发布了一种可使蜡模铸造铸模更耐用的新型材料———plus CAST。2011年8月,Kelyniam Global(新不列颠,康涅狄格州)宣布它们正在制作聚醚醚酮(PEEK)颅骨植入物。利用CT或MRI数据制作的光固化头骨模型可以协助医生进行术前规划,在制作规划的同时,加工PEEK材料植入物。据估计,这种方法会将手术时间降低85%。2011年6月,Optomec公司(新墨西哥州,阿尔伯克基)发布了一种可用于3D打印及保形电子的新型大面积气溶胶喷射打印头。Optomec公司虽以生产透镜设备而为快速成型行业所熟知,但它的气溶胶喷射打印却隶属于美国国防部高级研究计划局的介观综合保形电子(MICE)计划,该计划的研究成果主要应用在3D打印、太阳能电池以及显示设备领域。

c)新市场产品不断涌现

2011年7月,Objet公司发布了一种新型打印机———Objet260 Connex,该种打印机可以构建更小体积的多材料模型。2011年7月,Stratasys公司发布了一种复合型快速成型机———Fortus250mc,该成型机可以将ABSplus材料与一种可溶性支撑材料的进行复合。Stratasys公司还发布了一种适用于Fortus400mc及900mc的新型静态损耗材料———ABS-ESD7。2011年9月,Bulidatron Systems公司(纽约,纽约)宣布推出基于Rep Rap的Buildaron1 3D打印机。这种单一材料打印机既可以作为一种工具箱使用(售价1 200美元),也作为组装系统使用(售价2 000美元)。Objet公司引入了一种新型生物相容性材料———MED610,这种材料适用于所有的Poly Jet系统。刚性材料主要面向医疗及牙科市场。3D System公司发布了一种基于覆膜传输成像的打印机———PROJET1500,同时也发布了一种从二进制信息到字节的3D触摸产品。2012年1月,Maker Bot(布鲁克林,纽约)推出了售价1 759美元的新机器Maker Bot Replicator,与它的前身相比,该机器可以打印更大体积的模型,并且第二个塑料挤出机的喷头可以更换,从而挤出更多颜色的ABS或PLA。3D Systems公司推出了一种名Cube的单材料、消费者导向型3D打印机,其售价低于1 300美元。该机器装有无线连接装置,从而具有了从3D数字化设计库中下载3D模型的功能。国防部与Stratasys公司签订了100万美元的u Print3D打印机订单,以支持国防部的Do D’s STARBASE计划,该计划的目的是吸引青少年对科学、技术、工程、数学以及先进制造技术中快速成型制造的兴趣。2012年2月,Easy Clad公司(法国)发布了MAGIC LF600大框架快速成型机,该成型机可构建大体积模型,并具有两个独立的5轴控制沉积头,从而可具有图案压印、修复及功能梯度材料沉积的功能。3D Systems公司推出了一种可用于计算机辅助制造程序,如Solidworks,Pro/Engineer的插件———Print3D。通过3D Systems’Pro Parts服务机构,这种插件可对零件及装配体进行动态的零件成本计算。2012年3月,BumpyPhoto公司(俄勒冈州,波兰市)正式推出了一款彩色3D打印的照片浮雕。先输入数字照片,再在24位色打印机ZPrinter上打印,就能形成3D照片浮雕。价格也从最初79美元的3D照片变为89美元的3D刻印图样。Stratasys公司和Optomec公司展出了带有保形电子电路(利用的是Optomec’s Aerosol Jet公司的技术)的熔化沉积打印的机翼结构。

d)新标准不断更新

2011年7月,同期,美国试验材料学会(ASTM)的快速成型制造技术国际委员会F42发布了一种专门的快速成型制造文件(AMF)格式,新格式包含了材质,功能梯度材料,颜色,曲边三角形及其他的STL文件格式不支持的信息。10月份,美国试验材料学会国际(ASTM)与国际标准化组织(ISO)宣布,ASTM国际委员会F42与ISO技术委员会261将在快速成型制造领域进行合作,该合作将降低重复劳动量。此外,ASTM F42还发布了关于坐标系统与测试方法的标准术语。

2 我国增材制造技术的发展

我国自20世纪90年代初,在国家科技部等多部门持续支持下,在西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等在典型的成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究,如西北工业大学、北京航空航天大学、华南理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索性的研究和应用工作。我国研发出了一批增材制造装备,在典型成形设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展,到2000年初步实现的设备产业化,接近国外产品水平,改变了该类设备早期仰赖进口的局面。在国家和地方的支持下,在全国建立了20多个服务中心,设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业。推动了我国制造技术的发展。近5年国内增材制造市场发展不大,主要还在工业领域应用,没有在消费品领域形成快速发展的市场。另一方面,研发方面投入不足,在产业化技术发展和应用方面落后于美国和欧洲。

近5年来,增材制造技术在美国取得了快速的发展。主要的引领要素是低成本3D打印设备社会化应用和金属零件直接制造技术在工业界的应用。我国金属零件直接制造技术也有达到国际领先水平的研究与应用,例如北京航空航天大学、西北工业大学和北京航空制造技术研究所制造出大尺寸金属零件,并应用在新型飞机研制过程中,显著提高了飞机研制速度。

在技术研发方面,我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当,但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较国外先进水平落后。我国增材制造技术主要应用于模型制作,在高性能终端零部件直接制造方面还具有非常大的提升空间。例如:在增材的基础理论与成形微观机理研究方面,我国在一些局部点上开展了相关研究,但国外的研究更基础、系统和深入;在工艺技术研究方面,国外是基于理论基础的工艺控制,而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证,导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平;材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距;部分增材制造工艺装备国内都有研制,但在智能化程度与国外先进水平相比还有差距;我国大部分增材制造装备的核心元器件还主要依靠进口。

3 增材制造技术发展趋势

a)难点与挑战

增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的趋势,产品生产将逐步从大规模制造向定制化制造发展,满足社会多样化需求。目前增材制造2012年直接产值约22亿美元,仅占全球制造业市场0.02%,但是其间接作用和未来前景难以估量。增材制造优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造,在航空航天、医疗等领域,产品开发阶段,计算机外设发展和创新教育上具有广阔发展空间。

增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。目前增材主要应用于产品研发,还存在使用成本高(10元/g~100元/g),制造效率低,例如金属材料成形为100 g/h~3 000 g/h,制造精度尚不能令人满意。其工艺与装备研发尚不充分,尚未进入大规模工业应用。应该说目前增材制造技术是传统大批量制造技术的一个补充。任何技术都不是万能的,传统技术仍有强劲的生命力,增材制造应该与传统技术优选、集成,会形成新的发展增长点。对于增材制造技术需要加强研发,培育产业,扩大应用。通过形成协同创新的运行机制,积极研发、科学推进,使之从产品研发工具走向批量生产模式,技术引领应用市场发展,改变人们的生活。

b)增材制造技术发展趋势

1)向日常消费品制造方向发展。三维打印是国外近年来的发展热点。该设备称为三维打印机,将其作为计算机一个外部输出设备而应用。它可以直接将计算机中的三维图形输出为三维的彩色物体。在科学教育、工业造型、产品创意、工艺美术等有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。其发展方向是提高精度、降低成本、高性能材料发展。

2)向功能零件制造发展。采用激光或电子束直接熔化金属粉,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。该技术可以直接制造复杂结构金属功能零件,制件力学性能可以达到锻件性能指标。进一步的发展方向是进一步提高精度和性能,同时向陶瓷零件的增材制造技术和复合材料的增材制造技术发展。

3)向智能化装备发展。目前增材制造设备在软件功能和后处理方面还有许多问题需要优化。例如,成形过程中需要加支撑,软件智能化和自动化需要进一步提高;制造过程,工艺参数与材料的匹配性需要智能化;加工完成后的粉料或支撑的需要去除等问题。这些问题直接影响设备的使用和推广,设备智能化是走向普及的保证。

4)向组织与结构一体化制造发展。实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如在制造复合材料时,将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成,在微观到宏观尺度上实现同步制造,实现结构体的“设计—材料—制造”—体化。支撑生物组织制造、复合材料等复杂结构零件的制造,给制造技术带来革命性发展。

4 结语

增材制造以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。随着材料适用范围增大和制造精度的提高,增材制造技术将给制造技术带来革命性的发展。美国奇点大学(Singularity University)学术与创新中心副主席Vivek Wadhwa在华盛顿邮报上发表文章(2012年1月11日)“为何该轮到中国为制造业担忧?”(Why it’s China’s turn to worry about manufacturing)。他认为“新技术的出现很可能导致中国在未来20年中出现美国在过去20年所经历的空心化”,引领技术之一是以3D打印为代表的数字化制造。他认为今天简单的3D打印只能制作出相对粗糙的物体,这类设备正在快速发展,成本不断降低,功能不断提高,到2020年代中期,美国人能够在分子级别上制作精确的3D物体。“这样,中国还如何能与我们竞争”。他的观点或许值得我们借鉴,我们未来要在竞争中立于不败之地,我们今天就要毫不松懈的追赶和创造。

参考文献

桌面级3D打印技术及其发展趋势 第8篇

3D打印技术的出现, 跨越了虚拟的比特世界和实体的原子世界之间的鸿沟, 革命意义超过了个人电脑和互联网的出现。《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等杂志都称3D打印将引发第三次工业革命[1]。Wohlers Associates报告称, 3D打印市场, 包括全世界的相关产品和服务, 2013年增长约30亿7千万美元, 并预测3D打印产业在桌面级3D打印机快速发展的推动下, 未来几年将会继续保持强劲增长势头。

桌面级3D打印机的出现, 使制造模式开始由大批量生产向小规模个性化定制发展, 每个人甚至可以足不出门就能完成发明、创新、定制以及低成本生产等过程。由于桌面3D打印机价格低廉, 以及性能指标越来越向工业级看齐等诸多优点, 有超过100家的企业和团队在研发桌面3D打印机。因此, 研究桌面级3D打印技术以及应用具有重要意义。

2 桌面级3D打印机技术及其典型产品

2.1 桌面级3D打印机技术

桌面级3D打印机通常是由一个笛卡尔坐标定义的位置控制结构、模块化的材料加热装置以及负责系统控制和打印规划的软件控制系统组成[2]。为了保证桌面级3D打印机系统的正常工作, 需要开放源代码技术 (OSAT) [3]、运动控制器技术、材料沉积技术和软件控制技术等关键技术来支撑。

(1) 开放源代码技术 (OSAT)

桌面级3D打印机的萌芽、发展离不开适当开放源代码技术, 基于OSAT的准则桌面打印机可以充分利用OSAT的开发资源, 同时灵活修改控制代码, 实现代码共享、除错和优化。

(2) 运动控制器技术

桌面级3D打印机的机械轴通常有两种组成形式:直角坐标型和三角爪型。直角坐标型:X、Y、Z轴互为直角, X、Y轴通常由步进电机驱动, 同步带定位, Z轴由丝杆控制。三角爪型:其数学原理跟直角坐标型一样, 采用笛卡尔坐标系原理, 只是将X、Y轴通过三角函数映射到三个爪的位置上。

通常, 桌面级3D打印机会采用精密研磨的铝材和刚性安装的结构, 系统在加工模型时, 使模型层相对于X、Y平面具有较好的平面性和角度的可调性。而且采用笛卡尔坐标的位置控制会减少打印机热头的惯性力, 使模型获得较好的沉积率。

(3) 材料沉积技术

桌面级3D打印机的耗材通常是塑料线材, 熔点较低, 韧性较高。为了使线材加热熔融沉积, 必须设计一个传输机构 (挤出机) 和一个加热装置 (喷嘴) 。喷嘴[4]的结构设计主要有四点要求:a.方便制造, 成本低;b.结构紧凑;c.重复加热和冷却的循环过程中, 依然保持可靠性;d.不能给其他部件 (如加热室) 传递过多热量。挤出机[4]分为直接挤丝、齿轮挤丝和液体挤出三种类型。

(4) 软件控制技术

桌面级3D打印机软件 (如Cura) 对3D模型文件 (STL格式) 进行分层切片, 导出被打印机识别的G代码控制文件并复制到SD卡, 插入到3D打印机的卡槽中, 最后固化在3D打印机硬件主板上的软件就可以读取G代码文件, 继而以此控制电机逐层打印3D模型。其中, 把STL文件转换为打印机可识别的G代码以及对STL的切片和路径规划是软件控制主要解决的问题。

2.2 桌面级3D打印机典型产品介绍

(1) 桌面打印机的鼻祖:Rep Rap

Rep Rap是开源3D打印机的鼻祖, 其设计目的是不停地复制它自己 (将近50%的自身零部件可以自身打印) 。Rep Rap项目里, 制作一个简单的由步进电机驱动的个人打印机需要涉及材料挤压过程以及一个由螺杆联接的龙门式机械结构[5]。Rep Rap项目在很大程度上推进了桌面级打印机的发展, 很多桌面级打印机企业的开创者在新的机身上套用Rep Rap机器零部件来开发新的机器。

Rep Rap的衍生物:Rep Rap Morgan (见图1)

Rep Rap Morgan (1) 创建的主要目的是打破现有Rep Rap型号的局限性。X、Y方向的移动不再采用固定的线性杠杆, Morgan采用SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 机器人的原理。选择顺应性装配机器手臂是指X和Y轴能自由移动, 而Z轴固定, 与采用笛卡尔格式的大多数Rep Rap相比, 这种设计占用空间更少, 需要的零件也更少。

(2) 三角洲结构3D打印机:Rostock (见图2)

Rostock (1) 基于Delta Robot, 由三个控制臂控制打印头, 打印热头同时负责三个方向的运动。而且它的进料马达被固定在架子上, 不与热头同时运动, 让热头的惯性大大减小, 这对打印速度以及控制精度的提高有很大帮助。

(3) 开源金属打印机:Metal_Delta_Rep Rap_v1 (见图3)

Metal_Delta_Rep Rap_v1[6]是Rosktock的衍生品。系统主要由一个开源的微型控制器实现控制和一个低成本、商业化的气体保护金属电弧焊接机实现金属打印过程。它的成本 (不到2 000美金) 仅是工业级金属打印机的1/100, 使快速打印金属零件不再受成本限制。但对工作环境有特殊要求:必须放在可通风的场所, 最好能对排出的气体进行净化处理。

(4) 开源光固化打印机:m Uve1

m Uve1 (2) , 即开源的UV树脂光刻3D打印机, 采用405 nm波长的紫外激光器对液态光敏树脂进行固化。软件方面使用标准的Rep Rap电子元件, 基于Arduino的直角坐标系的控制系统。硬件方面采用模块化的框架, 可延伸的Micro Rax结构;采用标准的8 mm淬硬钢线杆和轴承;20 m W激光器功率相对低, 比其他激光器更安全。

3 桌面级3D打印技术的应用

3.1 教育

桌面级3D打印技术不仅在改善科学、技术、工程和数学等基础学科教育以及职业技术教育方面颇具潜力, 而且可以把两种教育模式结合, 使交叉学科的教育形式成为可能。

针对教育行业, 需扩展桌面级打印机的打印媒介。如艺术设计类课程, 往往需要打印多彩的模型;珠宝设计类的课程则需要打印金属质感的饰品。这就对打印材料颜色、纹理有更多要求, 以及研究结合不同材料打印出直接可供教学的模型。

在教育行业, 桌面级打印机有时不需要全自动加工, 而是可以让学生自主完成一部分操作。研究人员尝试改变桌面级打印机连续生产的模式, 借鉴“拾取-放置”原理, “模拟”3D打印输出形式 (逐层累积) , 打印由很多离散单元组成的模型。对于模型简单结构部分, 可以让学生实现“拾取-放置”过程, 复杂部分则由机器本身完成[7]。

3.2 食品

桌面级3D打印技术在食品行业的应用还处于应用范围少、追寻实用功能的初级阶段, 但是具有巨大的发展潜力。Fab@Home可以打印各种食材, 如用SLS打印机通过激光加热来熔化巧克力粉末、加热使蛋清形成各种图案, 以及用3DP打印机生产糖雕塑[8]。

针对食品行业的发展趋势:

(1) 研发一种专门识别3D桌面打印机菜谱的算法, 这些算法需要把食物的松脆性、柔软性和薄厚性等属性映射到3D打印机的输入空间里[8]。

(2) 研发更多、可靠的打印食材。通常打印食材的保质期有限, 在打印后期, 食材的流变性发生改变就会不适合继续加工。

(3) 设计易于清洗的打印机来提高食品安全性。食品打印机的设备规范在美国农业部的食品安全标准中有所定义。

3.3 医学

3D打印技术自出现以来就对医学产生了革命性的影响。3D打印已经广泛用于身体各个部位的打印, 这些“器官”通常由塑料或金属制成, 可以直接与身体接触但不进入血液中, 包括牙齿、助听器壳和假肢等[9]。而且, 以人类细胞为打印耗材打印活组织, 有可能彻底改变传统的器官移植手术[10]。

桌面打印机可以快速打印核磁共振成像 (MRI) 系统所需的配件。这些配件具有复杂的内部机械结构, 用传统机床无法加工, 利用开源的3D打印机可以低成本地实现快速、精准地打印, 并且打印的配件与MRI设备完全兼容[11]。这对医疗设备的发展具有重要意义。

4 桌面级3D打印技术展望

4.1 打印原理与设计技术

三维模型设计方面:a.STL模型由实心向空心结构过渡, 可以提高打印效率[12];b.采用新的切片方法, 解决现在切片原理基于自相交轮廓理论导致的无法区分内外部结构的问题[13];c.优化支撑结构, 如Vanek[14]等人提出对模型拓扑结构的优化可以生成较少支撑的同时可以支持悬臂结构的打印。

加工原理方面:a.桌面级3D打印机由基于FDM技术为主向其他打印技术 (SLS、SLA等) 发展;b.提高桌面打印技术的打印质量。桌面级3D打印系统需要添加更多的控制参数, 材料属性和打印参数之间也需要更多交互。Kai (1) 等人通过在基于3D打印实时测量系统中调整仿真参数来获得更高的模型保真度;c.三维光学扫描技术的结合, 可针对个性化定制的模型修复或重构, 扩大桌面级3D打印机的应用范围[15]。

4.2 打印材料

目前, 桌面级3D打印材料主要以塑料为主, 而且由于3D打印原理导致的层间粘结会造成打印模型产生各向异性的力学缺陷。针对这些问题, 一方面Z-Corporation等3D打印公司正在研究通过提高现有打印耗材的属性来减少这种缺陷, 提高产品性能;另一方面, 则致力于开发新的打印材料。很多高校都参与了研究不同材料组合的相关课题, 以期设计高性能结构的材料。

4.3 多种材料打印技术

目前, 很多桌面级3D打印机只能打印单一塑料模型, 不少桌面级3D打印机都拥有双喷头或三喷头。但是实际操作中, 多喷头打印却还处于试验并不断完善阶段。Bayless等人设计了一种线轴挤出机可以在塑料上打印金属丝, 将来可以用于打印电路板 (2) ;Braanker (3) 等人开发的颗粒挤出机, 可以加工多种材料的颗粒。未来, 多喷头打印中途频繁转换3D打印喷头而导致的线材挤出不流畅等问题将会是研究的重点。

4.4 打印技术规范

目前, 桌面级3D打印产品的性能表征体系只是一个不成熟的临时系统, 相关数据的不一致、不完整会导致产品性能出现较大范围的波动和变化。因此, 需要基于3D打印性能表征数据建立标准化规范, 实现对3D打印工艺微观尺度物理机制的控制, 开发适合不同生产商设备的“开源”原材料规范, 以及后处理工艺的标准化等[16]。

同时, 由于桌面级3D打印技术的开源性, 使很多发明专利受到侵权。为了保护CAD模型的知识产权, 研究人员正致力于研究CAD模型的加密技术, 如K.D.D.Willis[17]等人提出将三维模型文件嵌入到频域中形成的加密技术, 该技术只能在特殊赫兹的光波中才能看见。

3D打印技术制造业发展新趋势 第9篇

这不是异想天开, 小到水杯、小提琴、首饰, 大到甚至汽车和飞机, 皆可被打印出来。这种被俗称为3D打印的神奇技术成为主要国家研发的“新宠”, 被寄予重振制造业的厚望。

专家认为, 这种技术代表制造业发展新趋势, 它和其他一些数字化生产模式的涌现, 将推动实现第三次工业革命。

3 D打印技术的缘起

历经二十多年, 3D打印技术终于从沉寂走向兴起。

3D打印技术之父、美国“三维系统”公司首席技术官查克·赫尔可能没有想到, 当年他的灵机一动, 仅仅是为了解决制造塑料模具费时费力的问题, 却成就了今天的3D打印技术。

实际上, 与普通打印机工作原理基本相同, 3D打印机内装有液体或粉末等“打印材料”, 与电脑连接后, 通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来, 最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印机的优势在于, 仅需几个小时或一夜时间即可将样品打印出来, 而不必花费数周时间等工厂制作样品。这种技术可以制造过去认为复杂而不经济的产品, 并大大减轻产品重量。

“只有你想不到的, 没有它打印不了的。”美国“三维系统”公司首席执行官阿贝·雷琴塔尔这样形容如今的3D打印技术应用。

奔驰、本田等汽车公司用3D打印技术制造汽车模具和配件;波音、洛克希德—马丁公司用它打造航模和零件;微软公司用它设计电脑鼠标和键盘;医疗设备机构用它为用户定制助听器和牙套;建筑师用它复制建筑模型。美国研究人员甚至已研制出三维食物打印机, 用食材打印饼干、苹果派等。

又一次世界性科技角逐

2012年8月15日, 湖南华曙高科技有限责任公司的一台“选择性激光尼龙烧结设备”在长沙下线并首次出口美国。这标志着中国在3D打印装备制造领域取得了重要技术突破。

武汉滨湖机电技术产业有限公司、南京紫金立德电子有限公司、华中科技大学等一批中国企业和院校也先后涉足3D打印, 并获得可喜成就。

放眼全球, 我们发现, 3D打印技术研发成为了又一次世界性科技角逐。

如今, 美国生产的工业和民用3D打印机逐渐打开全球市场;日本、荷兰研究人员已成功用它制造人体组织, 以助医疗;欧美企业还用3D打印技术制造工业品, 和艺术品;全球知名大学纷纷将3D打印技术列为重要课程。

3D打印技术尽管仍有待完善, 但势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一。这些突破将使工厂彻底告别车床、钻头、冲压机、制模机等传统工具, 改由更加灵巧的电脑软件主宰——这便是第三次工业革命的标志。

中国企业的奋起直追

与模具制造等传统工艺相比, 3D打印技术制造的同类产品可实现减重65%、节材90%。更重要的是, 这种技术只需要三维设计文件, 甚至只需某个模型的设计思想, 就能快捷精确地将其转变成产品原型或直接制造零部件, 不受零件形状复杂程度的限制, 不需要任何的工装模具。

此外, 设备还可以方便迅速地制作出传统加工方法难以实现的复杂形状, 体现高附加值零部件特殊的成型能力, 这对于汽车、机械制造、医疗器械、房地产、动漫玩具乃至军工、航空航天等意义重大。目前, 全世界只有极少数国家能制造这种设备。

作为后来者, 我国正在这一领域奋起直追。目前, 以高校、科研院所、专家等为依托, 依靠风险投资、产业资本和公共财政资金的三方扶持, 我国3D打印技术已经具备产业化发展能力。

我国企业也纷纷加快行动步伐:中国航天科工集团积极探索, 以应用原创和系统集成为主开展自主创新, 多项成果填补国内空白;大唐电信集团则主导着全球TDD无线移动通信技术标准制式的演进, 第三代、第四代TD-LTE国际标准的制定目前为其掌握……

技术变革时代不进则退

第三次工业革命带来的数字化制造旨在降低产品成本, 我国廉价劳动力的优势将随之消失。

面对第三次工业革命的挑战, 一些企业家表示, 在3D打印技术成熟之前, 规模制造型企业、以劳动力和大型设备等为依托的传统制造地位还会存续一段时间。但随着制造业数字化进程加速, 不具备创新能力的企业必将面临淘汰。

除了当前我国经济发展的资源、环境、人力成本都在上升这一因素外, 金融危机之后, 发达国家提出“再工业化”计划, 也将导致我国低端产业面临着巨大压力。

毋庸置疑, 我国制造业水平总体仍处于产业低端。工业和信息化部产业政策司副司长苗长兴表示, 我国制造业发展规模是世界第一, 但还不是制造业强国, 大而不强的问题仍很突出。

同时, 我国工业研发投入比例较低, 研发人才数量不足。目前我国工业企业研发投入占销售收入的比例仅为1.2%, 分别比美国、德国、日本低3.5%、2.6%和1.7%。2010年全国大中小企业开展研发机构的只有28%, 研发人员占从业人员的比例仅为3.3%。许多方面数据都在警示着国内企业。

难以估量的发展潜力

未来家具生产商将不再需要设计千篇一律、缺乏新意的产品, 而是由顾客提供自行设计的产品图;购物网站可能只需提供产品设计图, 由顾客在家自行打印成品, 从而大幅减少运费……

据沃勒斯同仁公司总裁特里·沃勒斯说, 3D打印产品和服务去年的销售额是17亿美元, 到2019年, 该行业的收入将达69亿美元, 其中零部件制造业务预计将占80%。

但3D打印技术并非没有软肋。与传统工业铣床低至5万美元的成本相比, 工业规模的3D打印机成本高达几十万甚至逾百万美元。此外, 打印批量小物件依然要消耗数小时甚至一天多, 因此尚不适用于大规模生产。

不过, 随着生产速度和质量的不断提升以及打印装置和材料价格的下降, 越来越多的工业部件将被打印出来, 而不是被冲压或烧铸出来。

1912年前后出现的科学技术——电气化、电话、汽车时代的萌芽、不锈钢和无线电放大器的发明都推动了经济的增长。然而即便当年那些知识最渊博的观察家, 也未能预测到这些科技发明所产生的变革性力量。

3D打印产业发展问题分析 第10篇

一、3D打印产业自身存在的问题

(一) 技术与研发问题。

3D打印机对打印对象逐层打印, 叠加成为打印最终产品。就目前技术而言, 打印速度缓慢是尚待解决的问题, 不同打印工艺的生产效率与质量存在差别。如北京上拓科技有限公司某技术团队使用熔融堆积成型工艺 (FDM) 打印尺寸为长288mm、宽153mm、高67mm的产品, 耗时约为40小时;欧洲率先使用3D打印技术的比利时梅洛特 (Melotte) 公司打印一个纺织机轴承, 需要24小时;湖南华曙高科技有限公司采用激光烧结工艺 (SLS) , 在两小时内可制造一个汽车轴承;根据国内外现有的几家3D打印照相馆的打印速度, 打印一个10cm高的人偶大约需要8个小时左右。因此, 3D打印技术与市场化发展方面还有进一步提升的空间。

当前, 不同打印工艺在质量与成本上存在差别:立体平版印刷 (SLA) 打印的产品表面质量最优, 分层实体制造 (LOM) 耗材方面最经济, 但使用率较低, 容易产生废料。在工业级应用上, 3D打印产品的强度和精度还需要进一步提升, 且工业级打印机价格有的上百万, 耗材价格也较昂贵。因此, 产业化发展初期, 3D打印更适合产品开发、贵重或复杂零部件的小批量生产。另外, 在大件产品打印方面, 3D打印系统的可靠性还需要加强。

中国企业对技术研发投入不足, 虽已有几家企业能自主制造3D打印机, 但研发力量总体不足。国内高校与科研院所尽管在某些技术环节研究方面有所突破, 但是在基本理论研究方面, 对于3D打印技术的未来走向、4D打印理论方面的创新还不够。

(二) 风险问题。

Gartner公司研究人员认为, 3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5~10年的时间。处于技术更新频繁的年代, 5~10年是个漫长的过程, 3D打印产业可能会面临新的技术瓶颈, 或被新技术取代, 从而加大了投资风险。

(三) 成本问题。

总体上, 3D打印机和耗材成本过高将阻碍3D打印产业发展:一是3D打印机造价昂贵, 阻碍了产品的家用消费;二是生产成本过高, 与传统制造业相比较不具有优势, 阻碍市场推广。

(四) 产业资源整合问题。

就中国而言, 国内产业链的完善和资源整合等问题急需解决。产业资源整合的一方面是成立行业协会:2012年, 中国3D打印技术产业联盟成立。该联盟的成立有利于促进科研院所与企业合作, 提升中国在该产业领域的技术水平与话语权, 但要注意的是, 如果联盟成为一个垄断性排他组织, 就与技术进步、提升社会福祉的初衷背道而驰了。这是应该提请注意的。另一个方面是建立产业集群, 以西交大、华科、清华、北航等高校为依托, 以湖南华曙高科、武汉滨湖机电、南京紫金立德、杭州铭展科技等企业为核心, 在西安、武汉、长沙、北京、杭州等地建立重点扶持产业园区, 培育产业集群。切忌各地一哄而上, 重蹈光伏产业覆辙。2012年, 武汉东湖高新区武汉光谷设立国内首个3D打印产业园, 规划首期用地500亩, 为华中地区3D打印产业集群成长奠定了基础。

二、知识产权保护问题

数字化产品信息、互联网和3D打印技术三者融合, 使产品很容易复制和传播, 可以预见的是, 随着3D打印的普及, 盗版也会变得更加猖獗。可以说, 3D打印技术的出现, 将对知识产权保护产生前所未有的挑战。

(一) 现有的知识产权法对3D打印的适用性问题。

现行的版权法主要防止二维平面标的被生产与复制, 并不足以保护3D打印的知识产权。其结果是:创新者拥有竞争优势的时间比以往更短。

(二) 知识产权法如何调整的问题。

现行的知识产权法是应该更严厉还是更宽松, 这将导致两难境地:前者会阻碍创新, 后者会鼓励盗版行为。究竟哪种政策能为社会带来更多福利, 还有待进一步观察。就目前来说, 政府应制订更灵活的知识产权保护政策。比如, 目前国内已经出现的3D打印机生产企业中, 一些是通过模仿美国等企业的设备来生产的;在民间, 也出现了一批DIY发烧友, 热衷于仿制打印机。一个3D打印机“山寨”产业链三、五年内就会形成, 对在位企业带来巨大冲击。不排除DIY发烧友中或“山寨”厂家会在技术上有所创新, 但对于整个社会的可持续创新能力将带来极大的消极影响。

三、技术人才短缺与培养问题

3D打印技术是多科学融合的结果, 集数字技术、软件开发、自动控制、光电子技术、快速成型技术、材料科学等于一体, 其应用过程中需要大量不同专业背景的技术人才。据研究, 目前中国3D人才的缺口超过千万, 制造行业对3D应用人才需求最大, 缺口约为800万人, 3D打印技术人才培养是一个亟待解决的问题。如3D打印需要CAD (计算机辅助设计) 作为数字技术支撑, 基于3D的CAD对编程技术人员提出了更高的要求, 一般技术人员难以担当。对此, 中国应在3D技术培训、推广方面进一步优化, 高校应加紧相关课程教师的引进、对在岗教师专业培训或从企业聘请兼职, 缩小与市场脱节的差距, 在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中, 开设相关课程, 增加必修环节。或者对民办3D打印培训机构进行政策扶持与经济扶持, 促进他们与高校、职业技术学院间的合作。

四、环境污染问题

3D打印在环境方面的问题表现为两个矛盾的方面:既有利于环保的一面, 又有不利于环保的一面。

利于环保的一面体现在制造工艺与产品上。一是3D打印采用的增材制造工艺, 将传统制造业制造工艺中常用的注模、车、铣、钻、切、削、打磨、抛光、电镀、上色等工艺合为一体, 减少了设备数量与机床生产, 整体上有利于降低能源与机床制造材料消耗。二是3D打印增材制造工艺生产过程中需要的原材料数量远远低于传统制造业减材制造工艺, 产生的多余废料更少。三是3D打印有利于减轻零部件重量。以3D打印在飞机制造上的应用为例, 3D打印的飞机零部件更轻, 每减少1千克重量, 一年将节省3, 000美元的燃料, 也减少二氧化碳排放。

不利于环保的一面体现在耗材与成品打印的随意性上。一是打印材料的污染性。目前使用的3D打印材料中, 有一些材料对环境具有污染性。二是过度打印产生的浪费。由于3D打印使普通人具有一定的生产能力, 如果有人无节制地打印, 将造成耗材大量消耗。同时, 大量打印的废、次产品可能会被随意丢弃, 造成环境污染。

因此, 在3D打印耗材研制方面, 如果可以研制出能迅速降解、能反复打印、能回收再利用的耗材, 将使3D打印产业更受青睐, 为环保类耗材带来巨大的市场。这将是耗材市场的一个发展方向。

参考文献

[1].Print me a Stradivarius[J].Economist, 2011

[2].Terry Wohlers.Can3D Printers Reshape the World[EB/OL].www.npr.org, 2012

[3].The printed world[J].Economist, 2011

3D打印与北京发展情况 第11篇

关键词：3D 打印 快速成型 北京

3D打印又称快速原型制造，主要应用于对立体三维设计产品的验证和手板模型制作上，也可制造一些特殊性、个性化、单件精密产品，如：医用人造关节。因为人体差异各不相同，标准化制造的人工关节无法适合每一个人。用3D打印——快速原型制造技术，就可实现个性化制作。

3D打印——快速原型制造在国际上起源于上个世纪70年代。90年代初形成商品化，并广泛应用于研发设计机构针对设计的效果验证。以其基于数字技术和计算机技术形成的精准性、快速性、真实性而颇受设计机构和生产企业的青睐。3D打印的出现打破了传统制作模型依赖模型工依据图纸制作每个零部件，然后组装验证的复杂、漫长过程。只需将CAD图纸输入3D打印——快速原型制造设备中，其计算机系统就会作出分析、制定加工程序，制作出于原设计精准相符的整机产品样机，可让设计人员对整机设计作全面验证，也可让客户生产企业真实看到、用到设计的产品。1997年开始设计的美国波音777客机的整机设计验证，就采用了3D打印——快速原型制造。首架模型全部由3D打印完成。

3D打印——快速原型制造设备的诞生与兴起，主要基于计算机技术和信息化的发展与应用。CAD制图使设计图低数字化。三维扫描、计算机分析等，保证了装备间通讯的一致性，而3D打印的原理就是将设计师设计的三维立体产品通过计算机程序运算分析，将其无限细分为工作平面结果。数学原理就是微分，而后以堆积原理将不同层级的二维平面效果堆彻起来反推到了三维立体产品。

那么目前国际上3D打印发展的怎样呢？都有哪些3D打印技术呢？

自上世纪70年代3D打印——快速原型制造技术兴起到90年代广泛应用，到今天的向制造的延伸，3D打印基本有六种类型的产品。

1、熔丝型

以高分子塑胶材料为基材，通过加热熔溶方式，将塑胶丝熔化，以特制喷头根据计算机分解的工作图分层喷涂逐步堆积，由于熔化的塑胶需要一定的固化时间，而产品又是各具造型。所以需要再外部增加一种快凝材料作为支撑的辅料。这种设备制作出的产品，受制于热熔塑胶的分层厚度无法无限降低，因此，出来的产品精度偏低，适合于作一般日用工业品手板模型。1994年深圳生产力中心就购置了这样一台产品用于为中小企业和设计公司的公共服务。

2、激光烧结型

以无机粉末，可烧结材料为基材的。3D打印——快速原型制造设备，其原理是设备按转化的二维图形逐层铺洒金属粉、陶瓷粉等，通过激光高能高效烧结，堆砌成型。由于该类设备可对金属等实用材料直接制成产品，上市销售，如人工关节。因其可直接实现产品，而备受企业的关注。

3、洛姆法（光敏树脂）

该设备的原理是以光敏树脂为原料，成型在保护液中，逐级提升至空气中，而受光照射而固化成型，是各种方法之中，成型精度高，是高精度塑胶模型制作的最优方式。因为液态成形是无级差变化。正适合3D打印的无线细分，二维平面堆积制作要求。

4、纸材料堆积法

以纸作为基础材料，根据计算机将三维产品分解后的二维平面图纸要求，铺一层纸使用激光刻刀，雕刻出平面图形，喷一层胶粘附新的一层纸，再按图雕刻。不断地堆积和粘贴，成型一件产品。由于强度低，精度差，一般该方法应用于设计师的原创创意设计的验证之用，不适合做产品。

5、蜡熔法

以蜡为基础材料。类似树脂熔溶法。用加热喷头将蜡熔化。均匀按二维图喷洒，堆积成形。该方法的优势可重复使用。但精度略低，设备价格低。一般用于学校的学生实践。同时，可以制作蜡模精铸的蜡胎。

6、3D彩打

这是真正从快速原型制造发展而来的。类似二维打印机原理的三维打印法，材料是树脂，胶水是彩色的。使堆积打印出来的三维立体成品。不仅是设计原型，而且色彩也与设计效果相一致。但这种设备因费只能作验证模型，且材料便宜，制作简单，精度降低。一般只用于手板验证模型的制作，用于看外观效果，这类设备价格普遍低，在机商可以低至2000——3000元人民币。

二、北京3D打印的研发与应用情况

中国快速原型制造——3D打印系体的研究起步于二十世纪九十年代，基本与国际发展同步，略迟于美国十年。北京在全国发展中始终处于领先地位。上世纪九十年代中期，北京隆源科技公司就开始开发生产以激光烧结为主的快速原型设备，技术是一批从美国留学归来的创业者。该公司的设备曾为积水潭等医院和北汽公司制作了大量产品。同期清华大学机械系，研制开发了纸基、树脂熔溶等方法的快速原型设备。并销售到制造企业，基本形成了3D打印的研发设计、生产制造、经营销售的体系。在国内居于领先地位，对该产品的业态发展方向、规模进行了很好的实践。

同时，北京在3D打印——快速原型制造装备的应用上在全国也处于领先地位。总结国内外经验、快速原型设备现阶段主要用于工业设计结果验证和手板模型制作。少量用于单件特殊产品的制造。因此，使用方式主要是建立快速原型中心式3D打印中心，提供集中的公共服务，而不是普遍企业的必购工作母机。而且各自购置只会增加投入，造成闲置，浪费资源。1996年最早使用快速原型制造设备之一的中国香港全港仅有三台。国内的深圳只有两台，总结经验，在北京市科委支持下，于1998年北京工业设计促进中心建成了北京第一个快速原型公共服务平台，与清华大学合作，建立了基于纸基的3D打印服务公司。2006年建设北京D&C工业设计创意产业基地时，以该服务平台为基础，在基地内建立了快速原型制造逆向工程中心。作为重要的制成工业设计发展的公共技术服务平台为电子、数码、工艺美术产品的手板制作，产品制造提供了支撑服务。2012年与上拓公司合作，组建了快速原型——3D打印服务联盟。从设备营销、快速原型制造、协调整合园内外3D打印——快速原型制造资源。形成了规模化经营实体，园内外加盟机构达到40余家，服务中心遍地。北京、浙江、江苏十余个城市。年产值达到3000余万元，初步形成了规模化经营。

未来3D打印的发展方向是：不断集成新技术，新工艺，提高快速原型制作3D制造的材料适用性；打开生产效率；降低成本；保证精度。使其从以制作手板模型，验证设计的实验用装备、发展成为满足个性化，柔性加工生产的工作母机。

三、北京发展3D打印的方向

北京作为全国最早开展自主3D打印设备研发设计的城市，具有较多的研发经验和制造能力。无论从人才基础、产业水平、信息数量、辐射能力都是最优秀的。因此，北京首先应积极整合已有的产业资源、研发队伍，发挥首都优势，完善产业链条，打造中国3D打印装备产业基地。

二是发挥北京的首都集散优势，建立国际化的3D打印设备的交易平台。汇聚全球优秀产品，面向世界最大的应用市场——中国及亚洲周边国家，形成集实体交易平台和B2B电子商务交易平台。进而促进国内3D打印产品的技术与水平提升。

三是构建3D打印公共服务平台和产业发展平台。“走出去”开展服务外包；“引进来”让国内外3D打印设备生产企业进京落户，形成产业规模。

3D打印技术发展分析 第12篇

3D打印技术作为一种新型的制造技术,与传统的机械加工有着完全不同的加工理念,不用模具和机械加工可直接根据所设计的三维模型就能加工出任何形状的零件,大大缩短了加工周期、降低了工艺的复杂程度,使生产效率得到了有效提高。由于实际的需要以及各国政府的大力支持,3D打印技术得到了飞速的发展,大到房屋小到金银首饰都可以通过3D打印技术来实现。如今,3D打印技术已经在军事领域和民用领域得到了广泛的应用,具体应用在航空航天、武器装备、工模具设计、医疗、建筑等多个不同的行业之中［１］。

1 3D打印技术的原理及分类

3D打印技术是一种增材制造技术,它与传统打印机的工作原理相似,不同的是所用的打印材料不同; 3D打印机的结构更为复杂,智能化程度更高,根据不同的产品、不同的材料快速打印出最终的产品或零部件［２］。3D打印技术的原理为:1设计师根据具体需求利用三维软件设计出零部件的三维模型;2将所设计的三维模型进行分层处理,根据所分层及结构信息进行编程;3将所设计的三维模型转化为STL格式输入到3D打印机中,根据零件的具体要求选择金属粉末、 工艺类型等;4准备就绪后在平面内黏结成截面形状, 然后在垂直于平面的方向进行层层叠加,最终形成三维实体。

3D打印技术的工艺与传统切削技术工艺相反,二者的比较见表1。3D打印技术主要有熔融沉积成型(FDM-Fused Deposition Modeling)、选择性激光烧结(SLS-Se1ected Laser Sintering)、选择性激光熔融(SLM-Selective Laser Melting)、立体光刻(SLA-Ster-eo lithography Appearance)、电子束熔化(EBM-Elec- tron Beam Melting)、分层实体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)等几种类型,具体类型和属性见表2。

2 3D打印技术的发展概况

根据Wohlers Associates发布的2013年度报告显示,拥有3D打印设备最多的国家是美国、日本、德国和中国,这4个国家拥有的3D打印设备占全球3D打印设备的比例分别为38%、9.7%、9.4% 和8.7%［３］。3D打印技术在各领域的应用所占比重分别为:消费电子领域20.3%、汽车领域19.5%、医疗领域15.1%、航空航天领域10.91%、工业及商用机器领域10.8%、科研用途领域7.91%、政府/军事领域6.31%、建筑/地理信息领域4%、其他领域5.17%［４］。 从发展趋势来看,3D打印技术在航空航天和医学领域的应用增速最快,并且在航空航天和医疗设备等高端领域,3D打印产业正在获利;在军事领域虽然目前所占的比重不是很大,但是在不久的将来,3D打印技术在军事领域定会得到广泛的应用。

3 3D打印技术在军事领域的应用

3.1武器装备研制

利用3D打印技术进行武器装备研发时,工程师可以根据实际要求进行创意验证和模具制作,对一些特殊、复杂的结构件可以直接打印,同时能有效地实现结构件的轻量化。

3.1.1航空航天装备

终级喷气发动机已经由美国的GE航空公司利用3D打印技术制造出来,该公司计划将3D打印技术应用在下一代军用发动机的研发制造上。737无人机模型PETRA的主要组件实现了3D打印技术的制造(包括副翼、燃料箱、襟翼、操纵面等),并实现了完美的试飞测试。美国太空制造公司专门设计用于国际空间站微重力制造项目的3D打印机已通过NASA最后的验证测试,并发送到了国际空间站。F-35飞机3米长的机翼钛合金零部件、F-15猎鹰喷气式战斗机铁合金外挂架冀肋备件、UH-60直升机门把手等当今先进的军用飞机的相关零部件已由3D打印技术制造出来, 与传统工艺相比成本下降了很多,从而验证了3D打印技术在成本方面具有一定优势［５］。

我国用了近十年的时间研发成功了歼-10飞机, 舰载机歼-15仅用了3年的时间就研发成功,关键零部件应用了3D打印技术,极大地缩短了研发周期。 现在歼-20和歼-31在研发过程中已经采用了3D打印技术。中国商飞和西北工业大学联合攻关,利用3D打印技术制造了C919大飞机的中央翼缘条。中航工业一飞院与北京航空航天大学强强联合,将全三维数字化设计技术与最新的3D打印技术相结合,已经打印出了多个满足强度、刚度和使用功能要求的飞机部件。

3.1.2海军装备

为了生产重量轻、成本低并能满足作战性能指标要求的无人机,美国海军打算利用3D打印技术进行研发设计生产。美国海军计划将航空母舰、巡洋舰以及驱逐舰等打造成可以移动的海上3D打印工厂,实现相关武器装备的按需打印,提高舰上空间的利用率［６］。

3.1.3轻武器装备

美国Solid Concepts公司利用3D打印技术制造了世界上第一只金属手枪,并测试成功,该3D打印的金属手枪由30多个零件组成,经测试该3D打印手枪的射程比常规手枪差一些但精度相当。AR-15半自动步枪的弹匣及其他部件也已经由3D打印技术制造出来,该枪能够射击600多次,综合性能良好。目前制约3D打印技术的问题是材料,如果金属粉末材料问题能够得到解决,3D打印技术在轻武器的设计制造与维修领域将会得到广泛的应用。

3.2武器装备维修

随着3D打印技术的迅速发展,在武器装备维修领域也得到了应用并有良好的应用前景。利用3D打印技术可以实现战时装备维修备件与维修工具设备的快速制造,使得战时维修保障效率得到大幅提高。在过去几年中,美军一直在使用3D打印技术,在阿富汗的移动实验室部署了原型设计和打印设备,并且开发出了一种系统,用来修复在作战中受损的飞机和地面车辆。美国Optomec公司利用3D打印技术为美国空军修复高价值的航空金属部件。安妮斯顿陆军基地利用3D打印技术对M1艾布拉姆斯坦克的燃气涡轮进行了修复,效果明显达到了预期目标。美国海军水下作战中心已经利用3D打印技术进行老旧零件与工装的维修。

3.3伪装防护设备制作

现在进行大规模战争的概率很小,一般都是局部战争,参战人数不多,在战场上需要随时进行隐蔽,用于保护自己并能更好地打击敌人。对于一些防护伪装设备,要求特征与周边背景尽可能做到一致,为了便于携带与布设,重量尽可能得轻。利用3D打印技术可以根据具体的作战环境及实际战况需求能够快速准确地制作伪装防护设备,使伪装后的目标更好地隐蔽起来,使作战人员发挥最大的作战效能。

3.4后勤保障

未来的战争将会是信息化战争,3D打印技术的应用会使得战场保障方式发生重大变化。现在的后勤保障主要依托后方的供给,将来会变为以阵地现场的 “DIY”(Do It Yourself)为主,所谓的“DIY”就是在战场上士兵可以根据自己的实际需要制作物资、食品和药品等。

3.5医疗部件及救助用具制作

现在的社会讲究人权,以人为本,世界各国的军队都在利用一切办法去追求战场零伤亡,及时有效地进行医疗救护是有效途径之一。但是战场环境变幻莫测,影响因素众多,当有士兵受伤时,进行战场应急救援会受到很大的影响。为了最大限度地对士兵进行及时的救援,在战场上可以利用3D打印技术根据受伤士兵的具体情况制作相应的器官或用具。例如,可以为骨折的士兵制作夹板、支架,为关节受伤的士兵打印关节,为眼睛受伤的士兵制作眼罩或特殊的眼镜,为截肢的士兵制作假肢,为脚受伤的士兵制作专用鞋等［７］。

4 3D打印技术未来发展趋势

根据未来武器装备的研发生产需求以及现代化战争的需要,未来3D打印技术的发展将主要体现在以下几个方面:

(1)提高材料多样性,满足武器装备零部件多样性需求。随着3D打印技术的飞速发展以及打印材料需求的不断增加,国内外的制粉工艺也得到了快速的发展。

(2)3D打印技术与传统制造技术相结合,提高3D打印技术的速度、效率和精度。

(3)3D打印系统向小型化方向发展,适应野外战场快速精确保障要求。据报道,美军为战场官兵研发了一款小型3D打印机,可以放在官兵的背包中并在战场上使用。

(4)提高3D打印软件集成化,实现CAD/CAPP/ RP的一体化,提高武器装备研发以及损伤零部件维修的响应速度。

(5)充分利用现有的网络平台,发展远程3D打印技术。

5结语

3D打印技术不是对传统制造技术的颠覆,而是对传统制造技术的提升与完善。利用3D打印技术一方面拓宽了设计研发人员的设计思路,另一方面将传统制造技术很难实现或不能实现的超复杂零件的加工能轻而易举的实现。3D打印技术应用在武器装备设计生产中,可以缩短新型武器的设计研发周期,大幅节省国防开支,并将从本质上提升武器装备的性能与生产效率。

摘要：阐述了3D打印技术的原理与分类,对3D打印设备在世界各地的分布情况进行了统计,并对其发展概况进行了概述。分别从武器装备研制、武器装备维修、制造伪装防护设备、后勤保障以及制作医疗部件与救助用具5个方面对3D打印技术在军事领域的应用进行了介绍,并分析了3D打印技术未来的发展趋势。