一、3D打印概述

1.3D打印概念

3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或其他形态塑料等可粘合，固化材料，通过逐层成型的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程以及其他领域都有所应用。

2.3D打印原理

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，zui终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

3.历史发展

1986年，3D systems公司创始人Charles Hull开发了*台商业3D印刷机。

1993年，麻省理工学院获3D印刷技术。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得**并开始开发3D打印机。

2005年，市场上*高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，世界上*辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。2011年6月6日，发布了*款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上*台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上*架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

4.3D打印的意义和作用

21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的，它涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，近年来，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种*的设计，制造，装配手段。

3D打印技术的出现为制造企业满足个性化的需求和产品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技术不采用传统的加工机床和工具模具，零件自由成型，只要通过计算机作出零件的三维模型，就能在工作台上实现零件的制造，如果产品设计有改动，只需在计算机中修改模型，不需要重新设计工装夹具，很快制造出实体零件，大大缩短了产品的制作时间和投放市场的时间，几个星期甚至几天内就可交出样品，为传统工艺的10~30%，成本降为20~35%。

3D打印项目能为工业创意设计成果向制造业转化提供*的重要保证；能为产品的开发设计提供有力的技术支撑；为工业设计人才的自主创新、人才的培育提供必要的条件和服务，特别是为国内各高校创新工程实验中心向化、专业化、节能化转变提供重要的技术保证，从而提升高校，企业军工等在整个制造业和创新科技中的整体竞争力。

5.3D打印工艺分类

6.各类型3D打印工艺优缺点简析

6.1．融熔沉积（FDM）技术的优势与缺陷

优势：1.成型材料成本zui低无需特殊使用环境

      2. 无需特殊使用环境

缺点：1. 成型件的表面有较明显的条纹

      2. 沿成型轴垂直方向的强度比较弱

      3. 需要设计与制作支撑结构

      4. 需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长

6.2．电子束自由成型制造（EBF）技术的优势与缺陷

优势：1.成型速度快

      2. 对粉末颗粒材料要求低

缺点：1. 成型件的表面粗糙，往往很难达到基本使用要求

      2. 成型精度差，往往只用来成型毛坯类零部件

6.3．选择性烧结成型制造技术的优势与缺陷

优势：1.成型速度较快

      2. 对粉末颗粒材料要求较高

      3.烧结材料种类丰富，包含金属类及非金属类

缺点：1. 成型件的表面粗糙，成型细节较差

      2. 成型精度较差，需要配合传统加工设备完成加工

6.4．粉末层喷头（3DP）成型制造技术的优势与缺陷

优势：1.成型速度快

      2. 对粉末颗粒材料要求低

      3.可成型彩色样件

缺点：1. 成型件的表面粗糙，往往很难达到基本使用要求

      2. 成型精度差，往往只用来成型毛坯类零部件

      3.材料种类单一，成型件强度高，但韧性较差

6.5．分层实体（LOM）成型制造技术的优势与缺陷

      （该型技术现基本从市场淘汰）

6.6．光固化成型（SLA）制造技术的优势与缺陷

优点：1．立体光固化技术是zui早出现的快速成型制造技术,成熟度高,经过时间的检验；

      2．立体光固化技术成型外观效果细腻，尺寸精度在所有3D打印技术里面zui高；

      3.支撑结构为网状支撑，材料利用率比较高

      4.成型尺寸zui大，可一次性成型较大零部件

缺点：1.需单独的使用环境，如恒温，恒湿

      2. 后处理工作专业性要求较高，需要熟练的技术人员来操作

二．3D打印在现代制造业中意义

21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险以及产品的前期设计验证，装配试制，成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的，它涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，近年来，该技术迅速在工业造型、制造装配、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种*的手段。

3D打印技术的出现为制造企业满足个性化的需求和产品的快速推出提供了可能性，由于快速成型技术不采用传统的加工机床和工具模具，零件自由成型，通过计算机设计出零件的三维模型，就能在工作台上实现零件的制造，任何的产品设计改动，只需在计算机中修改模型，不需要重新设计工装夹具，很快重新制造出实体零件，以用作结构验证，装配验证及部分性能的验证。大大缩短了产品的制作时间和投放市场的时间，几个星期甚至几天内就可交出样品，为传统工艺的10~30%，成本降为20~35%。

3D打印项目能为企业在从设计成果向制造业转化提供*的重要保证；能为产品的开发设计提供有力的技术支撑；为工业设计人才的自主创新、人才的培育提供必要的条件和服务，特别是为国内各高新技术企业，科研院所及创新工程实验中心向化、专业化、节能化转变提供重要的技术保证，从而提升企业，高校及科研院所在整个制造业和创新科技中的整体竞争力，大大提高上述单位在同行业的*影响力。

1.国外*制造业现状

    工业设计（包括艺术设计）被称为“创造之神”、“富国之源”，一直以来被经济发达国家或地区作为核心战略予以普及与推广。

美国通过一场工业设计革命，成为世界首富，zui典型的苹果公司的产品仅仅从设计造型上就给人一种与众不同的感觉，从Mac、iPod到iPad、iPhone，其非凡的设计理念和生产工艺造就了一款又一款的苹果神话；在英国，当年任首相的撒切尔夫人亲自为工业设计呼吁：“忘记设计的重要，英国工业将具备竞争力”； 德国早在上个世纪初就振兴设计，使经济如虎添翼；日本更是实施“设计立业”战略，从政府扶植、引导，到企业集团重点抓设计和新产品开发，投入在设计开发的资金上占国民生产总值比例已达2.8%，居世界*，由于设计的优势，“轻、薄、小、巧、美”的日本商品风靡；韩国政府在1993年至1997年间，全面实施了工业设计振兴计划，并于1998年提出“设计韩国”战略，经过多年的实施，设计和创新在韩国开花结果，已经拥有三星、LG等品牌；新加坡在其产业计划中提出一个“设计新加坡”子计划，要将新加坡建成一个在产品、概念和服务设计方面的文化和商业中心，工业与产品设计公司的增长速度更高达34%。工业设计依托*的制造技术，如3D打印技术，将设计成果迅速转换为实际的产品，快速推向市场，从而获得巨大的经济效益，为上述国家在制造业的地位与实力具有巨大的影响力。

2.国内*制造业现状

虽然近些年我国*制造技术进入快速发展阶段，但与发达国家相比，各方面还有很大距离。特别是对于*制造技术本质的理解认识及对行业的规范管理，虽然进行了近10年的技术宣传和普及，但一些企业和民众对于*制造技术的认识仍然很少。这些都极大地阻碍了*制造技术在国内市场的正常发展，引发了企业资源浪费、人才流失等问题。

目前国内*制造技术行业存在的问题主要有以下几个方面：

2.1受重视程度不够，创新意识不足

有相当部分企业对*制造技术未能引起足够重视，仅停留在观望阶段，核心技术的欠缺在很大程度上制约着企业的发展，大量的代工生产和仿制也使企业逐渐丧失创新设计的能力。仅仅在造型上不断地引进、模仿、抄袭国外的设计，必会导致新技术在产品开发设计及创新中可有可无的地位，使已有的成果得不到有效推广和应用。

2.2供求双方相互制约，市场发展受限

我国制造业市场多为“买方模式”，生产企业对技术的需求主导了*制造的发展方向。对需求方而言，由于其目前对*制造业的了解、对其价值和重要性的认识有限，仅以大量生产为主，未能达到对*制造具有更高要求和依赖的创新阶段，从而造成了市场上仅需求大量的产品而技术含量偏低的现象；对生产制造供应方而言，低端需求必然带来低效益，只好低端制造，再加上市场初期对*制造的宣传和推广努力有限，社会认知及影响力不大，造成其在市场中的被动地位，很大程度上限制了发展。不仅如此，供求双方各自存在的这些问题又相互制约了设计市场的发展。如此循环，双方都被束缚在初级设计市场中而无法寻找到新的发展平台。

2.3教育不完善，人才缺乏

目前我国生产制造从业人员与日俱增，但真正具有较高水平的技术人员相当匮乏。一方面，教育机制不完善。在我国已开设工业设计专业的200多家高校中，有的高校一味追求综合性，盲目开设传统制造专业，并未配设专业老师，师资力量的薄弱，必然导致学生专业素质的不足，影响教育质量的提高。另一方面，理论与实践未能有效对接。据统计，我国这几年传统制造专业毕业生每年有十来万人，但真正从事*制造的仅有25%左右，就业难、难定位已成为高校学生在是否选择*制造专业时质疑的重点。