山 东 工 商 学 院 信息与电子工程学院
学年论文
题目：3D打印技术
班 级： 电子131 姓 名： XXXXX 学 号： XXXXXXX 提交时间： 2016.4.11
3D打印技术
XXX (山东工商学院 信息与电子工程学院 山东 烟台 262000) 【摘要】:3D打印（3D Printing），即快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，被誉为是第三次工业革命的重要标志之一。近年来，国内外3D打印技术蓬勃发展，在多个方面有着广泛地应用。本文通过介绍3D打印技术的概念及原理，回顾了3D打印技术的发展历史，阐述了国内外3D打印技术及产业的现状，介绍了3D打印技术最新的技术，并结合相关数据，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。
【关键词】:3D打印;CAD模型;快速成型;发展现状;发展前景 中国分类号：TP751
文献标示码：A
3D Printing Technology
XXX (Shangdong Institute of Busine and Technology Institute of Information ELEC Shandong Yantai 262000)
【Abstract】:3D printing, (3D Printing), namely a kind of rapid prototyping technology, the eence of which is to add material manufacturing technology, is known as one of the important symbol of the third industrial revolution.3D printing technology at home and abroad in recent years, the booming development, are widely used in several ways.In this paper, through the introduction of the concept and principle of 3D printing technology, reviews the development history of 3D printing, 3D printing technology at home and abroad is expounded and the industry status quo, introduces the latest technology, 3D printing technology and combining with related data, the development trend of 3D printing has certain predictive analysis.
【Keywords】:3D printing;CAD model;Rapid prototyping;Current situation of the development;Prospects for development
一、引言
随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D打印技术应用面广，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，前景广泛。
二、3D打印技术简介
3D打印技术是增材制造技术的一种，近几年该技术发展迅猛，潜力巨大，是当前最热门的新兴技术之一。3D打印机根据三维CAD模型将塑料、金属粉末或固体无机物粉末等可黏合材料通过不同类型的喷头，逐层堆积在工作台上并最终形成目标零件。简单的讲，3D打印制造技术就是快速制造新产品首版样件的技术，它可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接的实现零件的单件生产。该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等。它是机械工程、计算机CAD、电子技术、数控技术、激光技术、材料科学等多学科相互渗透与交叉的产物。它可快速，准确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或零件，以便进行快速评估，修改及功能测试，从而大大缩短产品的研制周期，减少开发费用，加快新产品推向市场的进程。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。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。
三、3D打印技术原理
3D打印技术是一种逐层制造技术，它采用离散/堆积成型原理，其过程是：先得到所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，将原来的三维模型变成二维平面信息，即离散过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。各种3D打印技术的过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分层切片和后置处理五个步骤。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，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，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；精密机械，即3D打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；材料科学，即用于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。
四、3D打印技术发展历史
3D打印思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。20世纪80年代中期，SLS被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利。到20世纪80年代后期，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功推向市场。2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大，价格也开始下降。2005年，Z Croooration推出了世界上第一台离精度彩色3D打印机一SpeCTRum 2510。2008年，第—个基于RepRap的3D打印机发布，代号为“Darwin”，它能够打印自身50%元件，体积仅—个箱子大小。2011年7月在英国埃克塞特大学领导下的布鲁内尔大学研究组及应用程序开发商Delcam公司的研究人员展示了世界上第一台巧克力3D打印机。2011年8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成。9月，维也纳科技大学开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机重1.5kg，报价约1200欧元。2012年11月中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型的国家。2012年12月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。2013年11月全球首支3D打印金属枪问世，原型模板为经典的M1911式手枪，由总部位于得州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”（SolidConcepts）团队设计并制造。
五、3D打印技术国外发展现状
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25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D System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2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。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。
六、3D打印技术国内发展现状
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域，3D打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用3D打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物以及具有仿生性能的体内植入物。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。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。但是3D打印技术目前并不完全成熟，还有一个较长时期的发展和适应过程。由于我国工业化革命没有完成，与国际同行比较，还有不小的差距，这是我国3D打印行业面临的实际情况。
七、3D打印技术最新研究成果
（一）中科院光固化3D打印提升100倍速
2016年初，中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的3D打印快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/h，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺(SLA）来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍!
（二）机器人3D打印玻璃工艺问世
弗吉尼亚理工大学和罗得岛大学设计学院推出了一个基于机器人的3D打印玻璃程序，目的就是找到玻璃材料和前沿制造技术的结合点。目前，他们研发的这项机器人结合3D打印技术创造玻璃制品虽然展现出来产品还比较粗糙，但这确实是一项意义非凡的创造。通常情况下，3D打印的过程都是靠喷头的移动形成具体的形状，而他们是利用的一个机器人手臂，由于机器人手臂拥有高度的自由度与灵活性，从而弥补了传统架构过于机械化的各种缺陷。这项技术的诞生不仅对于玻璃工艺品制造领域一大促进，更能够促进3D打印技术与机器人加速融合。
（三）3D打印人体微器官和干细胞
过去，胚胎干细胞3D打印机只能制造平面排列或简单的堆积，这被称为细胞“石笋”。如今，研究者声称他们首次开发出能够用3D打印技术来装填胚胎干细胞的方法。他们发明了一种胚胎干细胞3D打印机，能够通过逐层构建的方式来装填干细胞，从而形成所需要的立体结构。这项研究是由北京清华大学的孙伟教授和费城德雷塞尔大学的机械工程教授合作进行，他们声称可以在可控条件下用3D打印来快速制造胚体，生产一模一样的胚胎干细胞模块，理论上这些模块还可以像乐高积木一样搭建组织甚至微器官。
（四）纳米级金属3D打印技术CytoSurge
最近，瑞士联邦工学院在3D打印领域颇为活跃，他们同样也是业绩赫赫：包括通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子的生物打印；通过在三维打印的基础上加上合成物的局部控制的组合物（第四维度）和颗粒方向（第五维度）的材料设计实现的5D打印；以及可制造更高性能触摸屏的3D打印金银纳米墙技术。他们拥有的核心技术是专利FluidFM技术，FluidFM技术是一种重塑微管的技术，FluidFM移液器微管有比人类头发的直径还要小500倍的孔径。瑞士联邦工学院通过整合FluidFM Probes到打印机上，这项技术不仅仅可以实现例如金、银、铜这些金属的纳米级打印，还可以打印细胞和复合材料。
八、3D打印技术发展前景预测
我们今天的3D打印技术还是一个非常基础性的技术，尽管我们已经进入到3D打印的2.0时代，能够打印出我们需要的功能性产品，已经是一个很大的进步。3D打印技术未来还有很长的路要走，发展空间巨大。3D打印的发展趋势有以下几个方面：
（一）桌面级3D打印机的普及只是时间问题，最终取决于3D打印机自身的工艺改造和技术完善。几大趋势：一是桌面3D打印机将变得更为小巧、便于携带，外表上看起来更时尚，几年后它将会像电脑一样方便携带。第二，触屏功能、摄像功能、上网功能、自动修复功能一应俱全。第三，打印的精度非常高、打印的材料非常便宜。第四，价格大多控制在3000元人民币以内，成本大概在1000元人民币左右。第五，市场空间非常巨大，预计国内市场保有量在2亿台以上，3D打印机进入家庭、进入学校将变为常态。
（二）工业3D打印机的几大趋势：第一，平台化、智能化、系统化。未来的产业形态一定是平台化趋势，是众多先进制造技术的融合发展，3D打印也不例外。第二，对传统制造业的全面渗透和覆盖，但仅仅是生产流程和生产工艺中某个环节的应用。第三，随着技术的进步，稳定性、精密度将不再困难，材料可以全面突破。第四，成本降低以后，将率先在铸造、模具等行业全面渗透，并在其他领域得到广泛推进。第五，打印速度将显著提高，一个激光头还是两个激光头将不再是困扰速度的主要因素。第六，打印机的价格将在三年后下降至少三四成。
（三）生物3D打印机的几大趋势：第一，应用面将大大提高，不再仅仅停留在打印牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人体器官将成为常态。第二，整个应用推广的进程相对缓慢，主要取决于各个国家的政策支持程度。第三，复杂的细胞组织和器官的打印还有很多技术难题需要突破。
（四）建筑3D打印机的几大趋势：第一，现在的框架结构建筑实质就是运用了3D打印技术的原理。在标准化、批量化建筑领域，3D打印的市场几乎不会存在。第二，对于一些特殊环境下的建筑需求，将有逐步试行的可能。第三，个性化建筑使用面最广，但是由于成本因素并不一定具有较大优势。第四，未来的市场保持谨慎乐观。但是作为一项新技术，还需要不断尝试，总结和发现。
（五）材料领域的几大趋势：第一，目前国际上处于垄断地位的材料企业还将保持三五年优势。第二，随着技术的进步和3D打印技术的不断优化，材料问题将不再是困扰行业发展的难题。第三，智能材料将异军突起。智能材料其实也是功能性材料的一种，可以随着时间、温度等外部环境的改变而发生变化。第四，可降解的环保材料将占据主流，其他材料将被淘汰。第
五、材料的成本将显著降低。
（六）商业模式的几大趋势：第一，设备生产商将与互联网结合更加紧密。第二，设备生产商将与加工服务商、材料供应商达成战略联盟。第三，在工业4.0的推动下，电商结合更加紧密。
九、总结
从长远点的角度来看，3D打印技术极有可能成为未来制造业的发展方向，并且促进了传统工业的变革，发展潜力巨大。但是机械化的大批量生产的优势却局限于生产大量完全相同的产品，在个性化需求越来越多的当今，其局限性也愈加明显。虽然3D打印技术的出现填补了传统制造业的这一空缺，甚至成为了这一领域的革命性技术，但是目前的3D打印技术还处于发展的初级阶段，并非无所不能。3D打印在大尺寸超复杂构件和高成本难加工材料制造方面也有其明显短板，所以3D打印在现在和将来一段时间内应该与传统制造技术形成优势互补，很难产生颠覆性影响。当前，第三次工业革命的浪潮正席卷整个社会，作为代表性新兴技术的3D打印成为了各行各业的焦点。随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。随着3D打印技术的日趋成熟和3D打印材料的扩充，我们相信3D打印将会带给我们更多的惊喜和冲击，3D产品将会在我们的生活中触手可及。 【参考文献】
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