201422190309-孙明轩- 3D打印技术最新发展综述

1、 3D打印技术最新发展综述 摘要：本文概要介绍了3D打印技术的概念和特点，概述了主要的技术类型和属性；分析了国内外3D打印技术产业的发展；总结了目前存在的问题；进一步展望了3D打印技术的发展前景。并重点介绍了3D打印技术在建筑设计和能源装备等领域的最新进展。关键词：3D打印；增材制造；激光技术1 3D打印介绍3D打印(3dprinting)是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件，设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备(俗称“3d打印机”)，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。 3D打印是“

2、增材制造”(additive manufacturing)的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。 3D打印技术作为一种高科技技术，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，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，快捷

3、方便地获得全彩色实物模型展会，便于重新修定cad设计模型，节省了为错误设计制造出来的装备费用和研制时间。3D打印是断层扫描的逆向过程，所谓断层扫描，就是将某个东西切割成无数叠加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后叠加在一起，最终形成一个立体物体。普通打印机和3d打印机最大的差别就在于耗材不同，普通打印机的耗材是由传统的墨水和纸张组成的，而3D打印机主要是由工程塑料、树脂或石膏粉末组成的，这些成型材料都是经过特殊处理的，但是不同技术与材料各自的成型速度和模型强度以及分辨率、模型可测试性、细节精度都有很大区别，用户需按实际用途来选择。近日，位于伦敦的英国普华永道国际会计事务所（PWC）对一百家制

4、造企业进行调查，并作了相关的分析报告。调查总结了之前3D打印技术的发展，以及对3D打印技术的发展做了几个方面的推测。2 3D打印技术的应用前景及领域据PWC调查，发现超过三分之二的制造企业或多或少地采用了3D打印技术。在实际制造应用中，有些在传统制造（减材制造）无法完成时，才会采用3D打印技术；有些企业使用3D打印技术制作成品。企业使用3D打印技术制造的方式不同：有的在产品初期；有的在产品制成时。据PWC称原型机制造是驱动3D打印技术被采用的原因，未来3D打印技术还是会广泛用于原型机制造。 3D打印的兴起现在主要有十大应用领域及发展前景 1.食品行业：英国埃克塞特大学研究人员，去年推出世界首台

5、3D巧克力打印机。是了，你没有看错。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。2.建筑设计在建筑业里，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。3D打印技术与建筑业结合，探索提高房屋抗震能力。例如：近日，美国加州的建筑公司 Emerging Objects使用3D打印技术开发了一种建筑构件，无需钢筋混凝土也能抵御地震。Emerging Objects公司使用这种构件制作了一个柱子，其整体

6、都是由水泥作材料，3D打印砖块拼成的。每块砖都巧妙地与周围的砖块锁扣在一起。Emerging Objects公司此举是借鉴了古印加帝国方石建筑技术，他们希望从此找到灵感，开发出更加抗震的建筑技术。“秘鲁(即古印加帝国所在地)是一个地震高发的地方，但几个世纪以来这种纯以方石堆砌而成，丝毫没有使用砂浆灰泥的建筑反而证明比使用砂浆灰泥的建筑更加抗震。古印加建筑结构中使用环环相扣的石头，使得整个建筑没有一个应力集中点，以及不会产生谐振频率。当地震来临的时候，印加人建造的石墙可能会出现稍微的移动，然后重新稳定下来，不会出现倒塌的现象。这是一种被动结构控制技术，基于能量耗散和抑制共振扩增这两大原则。与此同

7、时，古印加的石墙往往会有一个3到5的向内倾斜角度，其拐角处往往也呈圆形，这些都有利于它们的稳定性。不过与古印加帝国又大又重的石块不同的是，Emerging Objects公司3D打印的砖块是空心的，形成了很高的强度重量比。而且据三迪时空网了解，公司对3D打印的每个砖块都进行了编号，并指定了其位置和施工顺序。此外，每个砖块都在内部安装了一个把手，以便于安装和运输。虽然这只是一个关于建筑构件连接的实验，但是他们3D打印的砖块，比钢筋混凝土的强度高多了，同时他们也正在研究如何使用增强纤维以提高材料的拉伸强度。3.医疗行业最近，一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来

8、的下颚骨，这是世界上首例使用3D打印产品做人体骨骼的案例。4.汽车制造业不是说你的车是3D打印机打印出来的(当然或许有一天这也有可能)，而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。5.传统制造业传统制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。6.科学研究美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还

9、做了比例缩减，更适合研究。7.产品原型比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。8.文物保护博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传播给更多的人。最近史密森尼博物馆就因为原始的托马斯杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。9.配件、饰品这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用

10、等到未来，现在就可以实现。10.能源装备产业在传统制造业中，制作复杂结构的大型制件一般采用分段成形、拼接成整体的方法，生产周期长，成本高，不但制件连接处潜伏着质量隐患，而且也增加了重量。而3D打印技术能够使最终固结成形的产品为整体成形制造、自然无缝连接，从而达到传统制造方法难以或无法加工的任意复杂结构，且重量轻、耗材少，尤其适合动力装备、航空航天、汽车等高端产品上关键零部件的制造，如空心涡轮叶片、涡轮盘、发动机缸体和缸盖等。3D打印其实就是一种快速成形制造技术，那么理论上3D打印就可以应用于国民经济体系中任何与制造有关行业，但是由于受到原材料和打印机价格等方面因素的制约，目前3D打印主要在以下

11、几个方面有着广泛的应用：1、工业企业新产品设计、试制及快速打印成形。2、个性化产品设计及快速打印制造;3、各种创意产品、玩具、礼物、文物、动漫游戏角色及人物模型等克隆复制;4、3D照相馆;5、医疗行业人体器官、医疗器械打印;6、建筑模型制作;7、教育、科研;8、军事等行业的应用。细观察这些领域，发现一个共同点，那就是需要快速制造。在新产品的研发过程中，样品的设计不可能先制造出生产机器，再去制造出样品，这样不仅会耗时耗力，而且一旦产品的研制出现问题，那么就会造成钱财的浪费，同时这样的生产周期很长。而3D打印则很好的解决了这个问题，首先样品的制造速度很快，不用等上很长时间。其次，即使产品研发失败也

12、不会造成很大的损失。3 3D打印技术的发展前景根据目前3D打印的现状和其优势以及技术特点，未来3D打印会朝着两端发展：激光技术适合更复杂的生产，而熔融技术则更适合家用和小规模的制造。总的来看，中国3D打印产业化的条件已经成熟，未来几年将是市场扩展的“成长期”。可以对3D打印的发展趋势做出预见：3D打印既是制造业，更是服务业。近中期，将会与传统的制造技术形成互补。相较于传统生产方式，3D打印技术的确是重大的变革，但目前和近中期还不具备推动第三次工业革命的本领，也不会是传统制造业的终结者。3D打印技术虽然也许会重振部分发达国家制造业竞争力，但是短期内还难以颠覆整个传统制造业模式。从长期来看，3D打

13、印技术其实就是颠覆性、破坏性的技术。当前，3D打印技术的应用迄今被局限于利基市场(Niche Market，即高度专门化的需求市场)或细分市场(Market Segmentation)，如医疗或模具。但根据克里斯滕森的理论，颠覆性技术会不断发展，以低成本满足较高端市场的需要，然后采取“农村包围城市”的方式逐步夺取天下。尽管3D打印主要适用于小批量生产，但是其打印的产品可以远远优于传统制造业生产的产品更轻便、更坚固、定制化、直接组装成型。3D打印的另一个颠覆性特征是：单台机器能创建各种完全不同的产品。而传统制造方式需要改变流水线才能完成定制生产，其过程需要昂贵的设备投资和长时间的工厂停机。不难想

14、象，未来的工厂可以用同一个车间的3D打印机既制造茶杯，又制造汽车零部件和量身定制的医疗产品。3D打印可以在提升工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关，可以提高工业设计能力，可以生产出复杂、特殊、个性化产品，可以形成新的经济增长点，促进就业3D打印技术显示出巨大的潜在优势。未来的3D打印将在民用和工业应用两方面获得不可思议的进展。未来3D打印机生产的产品将无孔不入。 目前，可应用于3D打印的材料种类较少，大量材料的应用潜能也未开发出来。如在未来能解决3D打印材料在应用领域面临的三大突出问题，打印材料可能会成为整个3D打印产业产值最高的环节。从长远看，这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带颠覆式的改变。参考文献1李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势J.自动化仪表,2014.35(1):1-52王雪莹. 3D 打印技术及其产业发展的前景预见J. 创新科技，2012(1):