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报告题目：浅谈3D打印技术与发展前景
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第 II 页
贵州大学学科研讨论文
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浅谈3D打印技术与发展前景 II
摘 要 II
Abstract III
前言 1
3D打印技术发展历史 2
3D打印技术发展的重要性 3
3D打印技术简介 4
3D打印产业的未来发展前景 5
结束语 8
参考文献 9

浅谈3D打印技术与发展前景
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,是一种新兴的快速成型技术，近一段时间以来受到了社会的广泛关注。文章简要的介绍了3D打印技术的发展历史，以及3D打印技术的概念和其所依托的关键技术，概括了3D印技术目前的发展现状及今后国内外3D打印技术的发展前景。

关键词：发展历史 3D打印技术 原理 发展前景

On the 3D printing technology and development prospects

Abstract
3D printing technology, no doubt, has become one of the core technology revolution for the foreseeable future, the potential development of its heyday, is a new rapid prototyping technology, it has recently been widespread concern in the community. This paper briefly introduces the development history of 3D printing technology, as well as key technical concepts 3D printing technology and rely on it, and outlines the prospects for the development 3D printing technology current situation and future development of 3D printing technology at home and abroad.

Key words: DevelopmentHistory 3D printing technology Principle Prospects

第 8 页

贵州大学学科研讨论文
前 言

3D打印技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流。近一段时间，3D打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。英国《经济学人》杂志2011年2月刊载封面文章，对3D打印技术的发展作了介绍和展望，文章认为：3D打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。很多新闻媒体乐观地认为：3D打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业，近来，3D打印技术在发达国家不断推出新产品，全球不少公司推出了个人3D打印机，它已经在平常的生活中开始普及，3D打印技术将与其他的数字生产模式合为一起，可能会推动动第三次工业革命的实现。
3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，3D 打印机的推广应用具有重要的革命性意义，文章简要的介绍了3D打印技术的发展历史，以及3D打印技术的概念和其所依托的关键技术，概括了3D印技术目前的发展现状及今后国内外3D打印技术的发展前景，以及3D 打印机的推广应用，产品用户只要设计好三维数据图，在数小时内通过3D 打印就将产品“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，不需要大量的工人劳作，这也是未来的新型生产模式。

浅谈3D打印技术与发展前景
一、3D打印技术发展历史
（一）、3D打印技术的起源
3D打印技术最早起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。3D打印是科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一，19世纪末，美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术，随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。
（二）、3D打印技术的国外发展情况
经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0．01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25ram厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。
3D system最先进的金属3D打印机prox40
目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司20109与传统打印行业巨头惠普公司签订了0EM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继201 1年5月收购Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商0bjet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。
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。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。
（三）、3D打印技术的国内发展情况
近年来，我国积极探索3D打印技术的研究，取得了不错的成果，自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料：西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。
华曙高科推出的工业级3D打印机
近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、湖南华曙高科等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。
在家电电器、汽车配件、通信技术、航天航空、军工等领域，3D打印技术被越来越多的运用在产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供制定的牙齿和骨骼代替物以及具有仿生功能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D打印设备，开展多个学科的教育和研究工作，这也不乏我校的3D打印室。
二、3D打印技术发展的重要性
3D打印技术的发展前景如此之广阔，发展势头如此之强劲，3D 打印机的推广应用具有重要的革命性意义，3D打印技术相对传统制造技术来讲的确是一次重大的技术革命，用“颠覆”传统制造技术来形容也不过分，能够解决传统制造所不能解决的技术难题，能够为传统制造业的创新发展注入新鲜动力。但是，传统制造业经过了数千年的积累和发展，已经在生产工艺、生产技术、材料等方面非常成熟，并形成了配套完善、功能齐全、社会各界广泛认可的产业基础。从3D打印的技术原理来看，我们设计师设计的任何复杂的，高难度的，传统制造方式不能生产的产品，利用3D打印技术都可以轻松地打印出来。但是，传统制造业所擅长的批量化规模化生产、精益化生产，恰恰是3D打印技术的短腿。比较来看，3D打印技术擅长的解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业则擅长的是批量化和规模化。彼此之间优劣态势正好形成互补关系，而不是谁替代谁的问题。因此，3D打印技术本身不是要取代传统制造业，也不能取代传统制造业。任何一项新兴技术必须产业化，才能得到快速成熟和完善。3D打印技术在过去30多年的发展过程中，已经在航空航天、汽车、生物医学等领域广泛应用，目前已经具备了产业化的基础和条件。我们应该为3D打印技术产业化积极创造条件，使3D打印技术能够与传统制造业更紧密的结合
3D打印技术医疗领域的运用
3D打印重要性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。
三、3D打印技术简介
3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是医学领域具有重大意义的创新。3D打印技术目前最为引人注目的当推3D打印机，鉴于此，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”。
3D打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面：信息技术，既要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出优秀的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向；精密的机械，即3D打印技术“每次叠加”为工序的加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精度程序、稳定性提出更高要求；材料科学，即用3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质，这也是当今制约3D打印技术迅速普及的原因之一。
四、3D打印产业的未来发展前景
2003年~2012年3D打印产值
根据国际快速制造行业权威报告《WohlerSReport 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达至52亿美元。
3D打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。
Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。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。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。
总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。
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。
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；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；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；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
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，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。

结束语
通过此次科研训练的课程学习，老师给我们深入讲解了有关机械方面的知识，让我叹为观止，科研训练作业中，我选择以浅谈3D打印技术与发展前景为题谈谈自己的认识与体会，通过上网查询相关资料、翻阅图书，自己从最开始对3D打印技术的茫然，到现在大致了解3D打印技术的起源、发展历史、技术的核心，以及将来的发展的趋势等内容，也了解到我国国内现阶段3D打印技术的发展水平，在完成这篇论文的同时，自己到我校实训中心贵阳创客中心有幸看到了真正的3D打印机，看到从三维图到实物的转变过程，即感到一门新兴的技术即将从此改变我们的生活，我相信随着3D打印技术的逐渐成熟和3D打印材料的扩充，3D打印技术将会不断带给我们更多想象不到的惊喜，以后我们的生活将触手可及3D打印的产品，我们的生活将从此改变。

参考文献
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