3D打印快速制造技术研究

3D打印快速制造技术研究摘要：3D打印技术又称快速成形技术、快速原型制造、增材制造技术。它起源于20世纪90年代前期,是最近20年来制造业领域的一个重大成果,被称作“第三次工业革命”三大重要技术之一。本文主要针对3D打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺与应用前景进行了分析研究。分析表明，3D打印技术无法完全替代传统制造工艺：3D打印机的体积小型化、一体化是未来发展趋势。关键词：3D打印,原理，材料，前景3dprintingrapidmanufacturingtechnologyresearchAbstract:3dprintingisalsocalledrapidprototypingtechnology,rapidprototyping,increasematerialmanufacturingtechnology.Itoriginatedintheearly1990s,isamajorachievementinthefieldofmanufacturingindustryinrecent20years,isknownasthethirdindustrialrevolutiononeofthethreeimportanttechnology.Mainlyfor3dprintingworkingprincipleofrapidmanufacturingtechnology,suitablematerials,manufacturingtechnologyandapplicationprospectswereanalysed.Analysisshowedthat3dprintingtechnologycannotcompletelyreplacethetraditionalmanufacturingprocess:thevolumeofa3dprinterminiaturization,integrationisthedevelopmenttrendinthefuture.Keywords：3DPrinting，Theprinciple,material,prospectsI目录1绪论-11.1研究的目的及意义-11.2主要研究内容-11.3国内外3D打印技术发展现状-11.3.1国际情况-11.3.2国内情况-323D打印快速制造技术-42.1工作原理-42.2适用材料-52.2.13D打印材料分类-62.2.23D打印材料基本性能-62.2.33D打印光固化成型材料-72.2.43D打印粉末烧结成型材料-92.2.53D打印熔融沉积材料-103制造工艺-113.13D打印技术的制造工艺-113.23D打印与传统制造业的比较-123.33D打印技术的优势-14II4应用-154.13D打印的应用-154.23D打印的发展前景-184.33D打印的未来主要趋势-195展望-20结论-22参考文献-23致谢-2411绪论1.1研究的目的及意义3D打印(3DPrinting)技术又称快速成形技术、快速原型制造(RaidPortoPytingMnaufacturing,RPM)、增材制造技术1。它起源于20世纪90年代前期,是最近20年来制造业领域的一个重大成果,被称作“第三次工业革命”三大重要技术之一。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术2-5。而3D打印机则是利用光固化和纸层叠等技术的一种快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，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。如今这一技术在多个领域得到应用，人们用它来制造服装、建筑模型、汽车、巧克力甜品等。3D打印技术让产品从设计到制造之间只相隔一个“打印”按钮的距离。由它引领的“第三次工业革命”将由大规模制造转向个人化生产，改变制造的流程，从而打破跨国代工的产业链，让制造业工厂重新回归发达国家。1.2主要研究内容1）3D打印快速制造技术的工作原理。2）3D打印快速制造技术的适用材料、制造工艺。3）3D打印快速制造技术的应用前景。21.3国内外3D打印技术发展现状1.3.1国际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3DSystems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FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。3DSystems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ZCorporation公司之后，3DSystems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。继2011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Objet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。1.3.2国内情况自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3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。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了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6。423D打印快速制造技术2.1工作原理三维打印技术是使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来。可用于制造复杂形状的模型、中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等。图2.1是三维打印成型机的剖面示意图。其工艺是先由铺粉辊从左往右移动。将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层。然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状。然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的7。3D打印的主要工作流程如图2.2所示。其中3D建模是3D打印的前提，相当于5平面印刷中的“原稿”，3D建模质量的好坏决定了3D打印的质量。一般现有的3D建模软件都可以实现建模，比如CAD、Pro/e等矢量建模软件，都可以轻易地实现3D建模。3D分割将建立的3D模型分成一个个的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料及打印机的结构决定。厚度一般为几十微米到几百微米不等。分割工序也是由软件来实现，类似于打印机的驱动程序。喷墨打印中将成型材料一层层喷涂在基材上。目前比较流行的做法是先喷一层胶水，然后再在上面撒一层粉末，如此反复。喷头一般可采用喷墨打印机的喷头，比如ScansE.M和CimaM.J.等人最初使用的是HP的热气泡喷头。目前也有一些设备厂商提供专用的喷头。打印完成后，还需要对打印出来的3D模型进行后处理，比如固化处理、剥离、模型的修整等等，最终完成所需要的模型的制作。2.2适用材料3D打印制造技术是一种跨学科交叉技术，其材料是该项技术的核心，一种材料的出现直接决定了制造技术成型工艺，设备结构，成型件的性能等。3D打印技术也不例外。从1982年SL立体光刻技术的出现到当今的3DP成型。都是由于某一种新材料的出现而引起的，如：SL材料为液态光敏树脂，LOM为薄片材料，SLS为可烧结粉末材料，FDM为热熔丝线等。由于材料在物理形态，化学性能等方面的千差万别，才形成了今天3D打印材料的多品种和3D打印的不同成型方法。3D打印技术在这几十年的发展中，新材料是3D打印技术的重要推动力。因而，全世界尤其是6发达国家从事3D打印技术的公司和大学都在积极地研发用途更为广泛，成型更为简便新材料。根据3D打印技术材料成型和工艺实现方法不同，目前广泛应用的3D打印制造技术可有五大类：第一类：粉末丝状材料高能束烧结或融化成型（ALS，SLM，LENS和EBM）等；第二类：丝材挤出热熔成型（FDM）；第三类：液态树脂光固化成型（SL,SLA）；第四类：液体喷印成型（3DP）；第五类：分层片材实体制造（LOM）；2.2.13D打印材料分类1.按材料的物理状态分类可以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝状材料等。2.按材料的化学性能分类按材料的化学性能不同又可分为树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料及其复合材料等。3.按材料成型方法分类按成型方法的不同可以分为：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料等。液态材料：SLA，光敏树脂（聚氨酯丙烯酸酯，环氧丙烯酸酯，不饱和聚酯树脂，光敏稀释剂等）。固态粉末：SLS非金属（蜡粉，塑料粉，覆膜陶瓷粉等）。金属粉（不锈钢粉，钛金属粉等）。7固态片材：LOM纸，塑料，金属铂+粘结剂。固态丝材：FDM。蜡丝，ABS丝，PLA丝等。2.2.23D打印材料基本性能（1）3D打印对材料性能的一般要求：有利于快速、精确地加工原型零件；快速成型制件应当接近最终要求，应尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等的要求；应该有利于后续处理工艺。（2）不同应用目标对材料性能的要求：3D打印的四个应用目标：概念型、测试型、模具型、功能零件，对成型材料的要求也不同。概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光敏树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性能等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则要求成型件有一定的精度要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求，如强度、硬度。如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除，烧蚀后残留少、灰分少。功能零件则要求材料具有较好的力学和化学性能。2.2.33D打印光固化成型材料（1）3D打印光固化材料的应用制作各种树脂样品或功能件，用作结构验证和功能测试；8制作精细零件；制作有透明效果的制件；快速模具的母模，翻制各种快速模具；代替熔模精密铸造中的消失模用来生产金属零件。（2）光固化成形树脂需具备的特性粘度低，利于成型树脂较快流平，便于快速成型。固化速度快，对355nm处的光有较高的吸收和响应速度；固化收缩小，3D打印成型重要的是精度，用于SLA的树脂应尽量选择收缩较低的材料；湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。溶涨小耐溶剂性好，成型过程中，固化件在液态树脂中的溶涨造成零件尺寸偏大，影响精度。经成型后的工件表面会留有为固化的残留树脂需要清洗，洗涤时要求只清除为固化部分，而对工件表面不产生影响。杂质少，固化过程中没有气味，毒性小，有利于操作环境。适合透射深度，用于SL的树脂要有合适的透射深度，一般涂料的厚度只有几到十几个微米，而用于3D打印成型的每层厚度一般会在100um，所以，SLA要求的透射深度要远大于普通涂料。否则，层与层之间因固化不好影响层间粘结力。但，透射深度不宜过大，否则会影响精度。选择适宜的透射深度是SLA光固化树脂的必要条件；（3）光固化成形树脂的组成及固化机理应用于SLA技术的光敏树脂，通常由两部分组成，即光引发剂和树脂，其中树脂由预聚物、稀释剂及少量助剂组成。当光敏树脂中的光引发剂被光源(特定波长的紫外光或激光)照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。9（4）SLA树脂的收缩变形树脂在固化过程中都会发生收缩，通常线收缩率约为3%。从高分子化学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。从高分子物理学方面来解释，处于液体状态的小分子之间为范德华作用力距离，而固体态的聚合物，其结构单元之间处于共价键距离，共价键距离远小于范德华力的距离，所以液态预聚物固化变成固态聚合物时，必然会导致零件的体积收缩。（5）SLA的后固化尽管树脂在激光扫描过程中已经发生聚合反应，但只是完成部分聚合作用，零件中还有部分处于液态的残余树脂未固化或未完全固化（扫描过程中完成部分固化，避免完全固化引起的变形），零件的部分强度也是在后固化过程中获得的，因此，后固化处理对完成零件内部树脂的聚合，提高零件最终力学强度是必不可少的。后固化时，零件内未固化树脂发生聚合反应，体积收缩产生均匀或不均匀形变。与扫描过程中变形不同的是，由于完成扫描之后的零件是由一定间距的层内扫描线相互粘结的薄层叠加而成，线与线之间、面与面之间既有未固化的树脂，相互之间又存在收缩应力和约束，以及从加工温度(一般高于室温)冷却到室温引起的温度应力，这些因素都会产生后固化变形。但已经固化部分对后固化变形有约束作用，减缓了后固化变形。零件在后固化过程中也要产生变形，实验测得零件后固化收缩占总收缩量的30%40%。（6）SLA材料的发展SLA复合材料SLA光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末、短纤维等，可改变材料强度、耐热性能等，改变其用途，目前已经有可直接用作工具的光固化树脂；（2）SLA作为载体SLA光固化零件作为壳体，其中填加功能性材料，如生物活性物质，高温下，将SLA烧蚀，制造功能零件。10（3）其它特殊性能零件，如橡胶弹性材料。2.2.43D打印粉末烧结成型材料理论上讲，所有受热后能相互粘结的粉末材料或表面覆有热塑（固）性粘结剂的粉末材料都能用作SLS材料。但要真正适合SLS烧结，要求粉末材料有良好的热塑（固）性，一定的导热性，粉末经激光烧结后要有一定的粘结强度；粉末材料的粒度不宜过大，否则会降低成型件质量；而且SLS材料还应有较窄的“软化-固化”温度范围，该温度范围较大时，制件的精度会受影响。大体来讲，3D打印激光烧结成型工艺对成型材料的基本要求是：（1）烧结性能，无需特殊工艺即可快速精确地成型原型；（2）作功能零件或模具的原型，机械性能和物理性能（强度、刚性、热稳定性、导热性及加工性能）要满足使用要求；（3）间接使用时，要有利于快速方便的后续处理和加工工序，即与后续工艺的接口性要好。1、蜡粉（1）用途：烧结制作蜡型，精密铸造金属零件。（2）传统的熔模精铸用蜡（烷烃蜡、脂肪酸蜡等），其熔点较低，在60左右，烧熔时间短，烧熔后没有残留物，对熔模铸造的适应性好，且成本低廉。（3）但存在以下缺点：对温度敏感，烧结时熔融流动性大，使成型不易控制；成型精度差，蜡模尺寸误差为0.25mm；蜡模强度较低，难以满足具有精细、复杂结构铸件的要求；粉末的制备十分困难。11，不锈钢粉不锈钢粉采用低碳钢即含铬18%20%，镍10%12%，钼约3%的不锈钢为原料，经雾化后，在润滑剂(硬脂酸)存在下球磨、过筛分级制成颜料，也可直接进行湿球磨。因为不锈钢在高温时是比较容易氧化的，一旦氧化，很难用其他方法将其表面的氧化皮去除。2.2.53D打印熔融沉积材料FDM材料可以是丝状热塑性材料，常用的有蜡、塑料、尼龙丝等。首先，FDM材料要有良好的成丝性；其次，由于FDM过程中丝材要经受“固态-液态-固态”的转变，故要求FDM在相变过程中有良好的化学稳定性，且FDM材料要有较小的收缩性。对于气压式FDM设备，材料可以不要求是丝状，可以是多种成分的复合材料。（1）PLA丝适用于料丝自加压式送丝喷头结构和螺旋挤压式送丝喷头。（2）熔融材料各种可以熔融材料，如蜡、塑料等，适用于加压融化罐。熔融挤压喷头工作原理如：将所使用热塑性成型材料装入熔化罐中，利用熔化罐外壁的加热圈对其加热熔化呈熔融状态，然后将压缩机产生的压缩空气导入熔化罐中，气体压力作用在熔融材料的表面上迫使材料从下方喷嘴挤出。123制造工艺3.13D打印技术的制造工艺一般来说，通过3D打印获得一件物品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段7，具体流程如图3.1所示1.三维建模通过goSCAN之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用Blender、SketchUp、AutoCAD等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用其他人已做好的3D模型。2.分层切削由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到电脑中以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理，即将模型切分成一层13层的薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。3.打印喷涂由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方式。比较流行的做法是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末，如此反复：或是通过高能激光融化合金材料，一层一层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺耗时几分钟到数天不等。4.后期处理模型打印完成后一般都会有毛刺或是粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等等，才能最终完成所需要的模型的制作。目前，3D打印领域在具体实现打印的关键技术方面处于百花齐放的状态，各种技术相互竞争，它们之间的差异主要体现在打印机分层创建部件和应用材料方式上。例如，选择性激光烧结技术（SLS）和混合沉积建模技术（FDM）可以归为一类，它们是利用熔点较低的可塑性材料作为打印的“墨水”,通过热熔的方法来制造物品的;还有一类打印技术是直接用液体材料作为打印耗材,包括立体平板印刷技术（SLA）和分层实体制造技术（LOM），通过光敏等方法使材料固化9。以上的这些技术各自都有优势和不足，其适用领域有所不同，在实际应用中应该综合考虑打印的速度、成本、打印机价格等因素选择合适的解决方案。3.23D打印与传统制造业的比较专家一致认为，3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，已经广泛应用到航空、航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，是传统制造技术与新材料的完美结合。通常，制造业特别是金属制造业采用的是减法工艺，即通过车、铣、刨、磨、钻等金属切削工艺对被加工件进行减材制造。而3D打印反其道而行之，采用的是加法工艺，即通过不断地进行材料的有序堆积，最终加工出成品。因此，3D打印也被称为增材制造。14而3D打印与传统加工工艺的差别也就体现在这增减上。而3D打印的特有优势也体现在这加法工艺上。比如说几乎可以百分之百地利用原材料，制造传统工艺无法实现的特殊结构的产品，因节省开模费用而在小批量生产上具有成本优势，在产品研发过程中可以快速制造样机，可以实现分布式制造等。的确，3D打印这些优异的加工特点无疑是传统制造工艺难以实现的。如果一台3D打印机具备这些特点，无疑将会对传统的制造工艺带来强劲的冲击，甚至颠覆性的变化。从表3.1可以看出：（1）3D打印技术的优点：无需模具就能成型，也不需要机械加工，就能直接从设计好的计算机图形数据中生成任何形状的物体。而传统的制造业最核心的一个环节就是要造模，很多高端产品能够设计出来，最大的困难是生产不出来成品，原因就出在造模环节，且耗时很长。而3D打印机则跨越了造模这个环节。（2）3D打印，即增量制造，也称作快速成型技术，是基于材料累加原理的快速成型操作过程，将计算机中的三维模型通过向物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术，具有不受零件复杂程度限制、完全数字化控制等特点；而传统的制造业是减量制造，先做一个大的框架，然后根据需要减去不需要的部分。所以3D打印可以节约90%左右的材料。（3）这种技术是带有一种变革性的，短流程、低成本、数字化、高性能的制备15构建制造一体化的技术。对构建的制造是重要的，尤其是这种技术一部分高性能难加工构建技术的革命，潜力巨大10。3.33D打印技术的优势3D打印技术的基本原理特点,决定了它拥有众多技术优势。（1）数字化传统加工方式需要实体模型或图纸图形,而3D打印技术的“模型”是数据文件。数字化使得设计者建造好产品的数据文件,就能通过3D打印机“打印”出来,提高研发效率,促进产品多样化;数字化使3D打印技术能对实物进行精确复制,对需要复制的实物进行3维扫描得到数据并“打印”出来,就实现了实物的复制,需要时修改原数据可以实现原实物的优化处理;数字化使得3D打印技术信息化,更利于3D打印技术的发展和推广。（2）微处理加工技术原理部分介绍到3D打印技术通过微处理生产出产品的。微处理加工方式能将以往无法混合的不同材料组合在一起,得到各种性能独特新材料;同时微处理加工方式使3D技术更容易生产出复杂化、精小化的产品。（3）一体化成型传统加工方式生产一样产品往往需要多个设备进行流水线加工,而3D打印机的生产方式是一体化成型的。一体化成型使得3D打印机比传统生产设备节省物理空间,使得3D打印技术在生产过程中较少副产品产生利于环保,减少组装节约成本。164应用4.13D打印的应用（1）机械制造：3D打印技术制造飞机零件、自行车、步枪、赛车零件等。（2）医疗行业：在医学领域，借助3D打印制作假牙，股骨头、膝盖等骨关节技术应用也非常广，技术越来越成熟。根据美国组织AmputeeCoalition的统计，目前美国正有约200万人使用3D打印假肢。图4.13D打印的假肢对人体身体部位的复制是高度定制化的产品，通过3D打印，这些部件可以与身体完全契合，与身体融为一体。以骨骼为例，当人体的某块骨骼需要置换，可扫描对称的骨骼，再打印出相应的骨骼，最后通过手术植入人体内。在国内，3D打印“骨骼”技术已经于2013年被正式批准进入临床观察阶段。目前，北京大学第三医院骨科专家刘忠军教授带领的团队在征得病人同意后，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。该院在脊柱及关节外科领域研发出3D打17印脊柱外科植入物，其中颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节三个产品已经进入临床观察阶段。这种3D打印的假骨有助将周边的骨头吸引过来，使人体骨骼和植入物结合起来，促进患者康复。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢复情况非常好，在很短的时间内，就可以看到骨细胞已经长进到打印骨骼的孔隙里面。（3）建筑行业：工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。（4）汽车制造行业：用3D打印技术为汽车公司制造自动变速箱的壳体。汽车公司会对变速箱进行各种极端状况下的测试，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再开模具，然后按照传统制造方法批量生产，这样成本就会大大降低。目前，已经将3D打印技术应用在汽车制造业，第一辆应用3D打印技术的汽车已经上路（图4.2、4.3、4.4）。图4.2利用3D打印技术制造的汽车18这辆名为“Urbee”的汽车，部分采用3D打印技术制造，如全部采用3D打印技术制造，目前来说还太可能。“Urbee”橙红色车身，三个轮子、双座位，扁长圆的外形显得小巧可爱，很有未来感，底盘为不锈钢制成，包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过Stratasys公司的大型3D打印设备生产。用电和汽油作为混合动力，百公里耗油1.17升，单缸发动机制动功率只有8马力，车速可达每小时100公里至110公里。在打印机里装上的液体或粉末，与电脑连接后，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，真是让人领教了神笔马良的威力。Urbee的打印精准减少了对原材料的浪费，是环保车领域的“绿灯侠”。虽然单缸发动机只有8马力，但最高时速可达到112公里，果真接得住“第一打印车”的美称。图4.3利用3D打印技术制造的汽车3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个磨具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。最近Urbee的项目负责人JimKor利用3D打印机制作了一辆汽车，这辆19车的车身特别之处在于它不是用冲压磨具制成，而是用一台链接电脑的“打印机”刻出来的。3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技术的不断进步，我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。据相关统计，3d打印技术，将在2016年前在全球范围内创造31亿美金的产值，到2020年，这个数字将达到52亿。特里沃勒斯(TerryWohlers)是美国罗拉多州柯林斯堡一家研究公司沃勒斯合伙公司(WohlersAssociates)的负责人、即时模型专家，他是3D打印领域的开山鼻祖，他表示：“由于复合材料可以制造任何形状，为制造而设计会变成过眼云烟，我们将很有可能看到以前很难或者不可能制造的产品被制造出来。”图4.4利用3D打印技术制造的汽车20这意味着，现在设计开模批量生产的传统制造模式有望得到革命性变革，3D打印机可能会代替现在制造业的流水线，更为个性化、精致化的产品制造时代将会到来。此外，3D打印技术还将影响诸多行业，如汽车、商业和工业设备、教育、建筑及消费品等行业，还包括娱乐业的游戏和电影业，艺术家还可使用3D打印机将他们的作品即时打印成型。4.23D打印的发展前景根据国际快速制造行业权威报告WohlersReport2011发布的调查结果，全球3D打印产业产值在19882010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产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。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510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。214.33D打印的未来主要趋势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。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件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。225展望（1）3D打印开始治病救人通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量。因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，如今这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。打印制造软组织的实验已在进行当中，很快通过3D打印制造的血管和动脉就有可能应用于手术之中。目前，3D打印技术在医疗应用方面的研究涉及纳米医学、制药乃至器官打印。（2）定制化成为常态今后你购买的产品将根据自己确切的具体信息进行定制，该产品通过3D打印制造并直接送到你的家门口。通过3D打印技术，创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，以此获得竞争优势。（3）产品创新速度加快从新车型到更好的家电，一切产品的设计速度都将加快，从而将创新更快地推向消费者。由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能。虽然使用3D打印的快速原型制造技术并不是新鲜事物，但迅速降低的成本、功能得到改进的设计软件以及越来越多的打印材料意味着设计人员将能更方便地使用3D打印机，使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。（4）新公司基于3D打印开发出创新的商业模式你今后将有机会投资购买一家3D打印公司的IPO。新一代公司将作为发明家、