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3d打印技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展前景
3D打印技術(shù)（3D printing），是快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。
一、3D打印技術(shù)簡介
3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印綜合了數(shù)字建模技術(shù)、機電控制技術(shù)、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，具有很高的科技含量。3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術(shù)等為一體的復(fù)雜機電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設(shè)計與控制軟件等也是3D打印技術(shù)體系的重要組成部分。
目前，3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造以及藝術(shù)創(chuàng)作、珠寶制作等領(lǐng)域，替代這些領(lǐng)域傳統(tǒng)依賴的精細加工工藝。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，在生物工程與醫(yī)學(xué)、建筑、服裝等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的引入也為創(chuàng)新開拓了廣闊的空間。如2017年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作，嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大意義的創(chuàng)新。
二、3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)國際國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
（1） 國際情況
經(jīng)過十多年的探索和發(fā)展，3D打印技術(shù)有了長足的進步，目前已經(jīng)能夠在0.01mm的單層厚度上實現(xiàn)600dpi的精細分辨率。目前國際上較先進的產(chǎn)品可以實現(xiàn)每小時25mm厚度的垂直速率，并可實現(xiàn)24位色彩的彩色打印。
目前，在全球3D打印機行業(yè)，美國3D Systems和Stratasys兩家公司的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額。此外，在此領(lǐng)域具有較強技術(shù)實力和特色的企業(yè)/研發(fā)團隊還有美國的Fab@Home和Shapeways、英國的Reprap等。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型設(shè)備開發(fā)公司。于2011年11月收購了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。Stratasys公司2017年與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司簽訂了OEM合作協(xié)議，生產(chǎn)HP品牌的3D打印機。繼2011年5月收購Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印機制造業(yè)正處于迅速的兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。
目前在歐美發(fā)達國家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式。如在消費電子業(yè)、航空業(yè)和汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以以較低的成本、較高的效率生產(chǎn)小批量的定制部件，完成復(fù)雜而精細的造型。另外，3D打印技術(shù)獲得應(yīng)用的領(lǐng)域是個性化消費品產(chǎn)業(yè)。如紐約一家創(chuàng)意消費品公司Quirky通過在線征集用戶的設(shè)計方案，以3D打印技術(shù)制成實物產(chǎn)品并通過電子市場銷售，每年能夠推出60種創(chuàng)新產(chǎn)品，年收入達到100萬美元。
（2） 國內(nèi)情況
自20世紀90年代以來，國內(nèi)多所高校開展了3D打印技術(shù)的自主研發(fā)。清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學(xué)在分層實體制造工藝方面有優(yōu)勢，并已推出了HRP系列成型機和成型材料；西安交通大學(xué)自主
研制了三維打印機噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達到0.2mm；中國科技大學(xué)自行研制了八噴頭組合噴射裝置，有望在微制造、光電器件領(lǐng)域得到應(yīng)用。但總體而言，國內(nèi)3D打印技術(shù)研發(fā)水平與國外相比還有較大差距。
近年來，國內(nèi)如深圳維示泰克、南京紫金立德、北京殷華、江蘇敦超等企業(yè)已實現(xiàn)了3D打印機的整機生產(chǎn)和銷售，這些企業(yè)共同的特點是由海外歸國團隊建立，規(guī)模較小，產(chǎn)品技術(shù)與國外廠商同類產(chǎn)品相比尚處于低端。目前，國產(chǎn)3D打印機在打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以滿足商用的需求，技術(shù)水平有待進一步提升。在服務(wù)領(lǐng)域，我國東部發(fā)達城市已普遍有企業(yè)應(yīng)用進口3D打印設(shè)備開展了商業(yè)化的快速成型服務(wù)，其服務(wù)范圍涉及到模具制作、樣品制作、輔助設(shè)計、文物復(fù)原等多個領(lǐng)域。與內(nèi)地相比，我國港臺地區(qū)3D打印技術(shù)引入起步較早，應(yīng)用更為廣泛，但港臺主要著重于技術(shù)應(yīng)用，而非自主研發(fā)。
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（3）3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景
根據(jù)國際快速制造行業(yè)權(quán)威報告《Wohlers Report 2011》發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2017年間保持著26.2%的年均增長速度。報告預(yù)期，3D打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長，到2017年，包含設(shè)備制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元。
但3D打印技術(shù)要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，目前仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應(yīng)用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護機制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。 Gartner公司2011年發(fā)布的最新技術(shù)發(fā)展展望報告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進入概念炒作的高峰階段，其技術(shù)還有待充分成熟，主流市場也有待進一步培育。Gartner公司研究人員認為，3D打印技術(shù)成熟到適應(yīng)市場需求還將需要5～10年的時間。在這一較為漫長的發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)可能會面臨增長期望落空、技術(shù)遭遇瓶頸以及投資撤離等風險。
總之，從中長期看來3D打印產(chǎn)業(yè)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)距離成熟階段尚有較大距離，對于3D打印市場規(guī)模的短期發(fā)展不宜過分高估。因此，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)界對3D打印領(lǐng)域的投入應(yīng)以加強創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)引進和儲備為主，尤其要重視自主知識產(chǎn)權(quán)的建設(shè)和維護，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。如受到概念炒作影響，在技術(shù)尚未充分完善的現(xiàn)階段大規(guī)模投入產(chǎn)能擴張，則投資回報將面臨著較大的風險。
（4） 3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢
隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。
提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應(yīng)用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應(yīng)用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造；拓展3D打印技術(shù)
在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車輛、服裝等更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)造性應(yīng)用。
3D打印技術(shù)的發(fā)展前景2017-04-07 06:52 | #2樓
3D打印技術(shù)是最近新興的技術(shù)，對很多行業(yè)的經(jīng)營方式和我們生活的方方面面產(chǎn)生了一定影響，而且還將觸發(fā)新一輪的工業(yè)革命，具有良好的發(fā)展前景。
一、減少環(huán)境污染
3D打印技術(shù)能有效地減少制作過程中所產(chǎn)生的垃圾和二氧化碳，從而給環(huán)境帶來積極的影響。除了可以減少材料浪費外，由于3D印刷基本都是按需取材，使用的材料主要有塑料長絲、金屬粉末等，甚至還有一些采用熔融沉積造型技術(shù)的打印機可利用可降解塑料來進行生產(chǎn)。因此大大減少了材料浪費。除此之外，3D技術(shù)可以讓人們更方便地生產(chǎn)出替代零件，從而延長整個產(chǎn)品的使用壽命，避免其在出現(xiàn)零件故障的時候就被扔掉。
二、創(chuàng)造新的藝術(shù)媒介
3D打印機的出現(xiàn)則為人們帶來了一種新的現(xiàn)代藝術(shù)形式。比如美國藝術(shù)家約書亞·哈克就曾在2017紐約3D打印展上展出過自己的3D打印鏤空雕刻系列作品。此外，3D打印機還可以用來復(fù)制世界名品，讓更多的人欣賞到藝術(shù)大家的作品。位于荷蘭首都阿姆斯特丹的梵高藝術(shù)館就與富士膠片公司合作復(fù)制了一大批梵高的畫作。
三、實現(xiàn)太空打印
3D印刷技術(shù)的一項重要應(yīng)用就是能夠生產(chǎn)宇航員在太空中使用的零件及其他物品。它還有助于加快國際空間站的建設(shè)速度。為了解決這些問題，由一群3D打印愛好者組成的空間制造公司與美國宇航局的馬歇爾航天飛行中心合作推出了一款適用于太空的3D打印機。這款打印機可以在失重的情況下生產(chǎn)零件，從而使宇航員在太空中的工作和生活變得更加自給自足。
四、掀起制造業(yè)革命
大批量生產(chǎn)對3D印刷技術(shù)來說是一項艱巨的挑戰(zhàn)，但隨著高產(chǎn)型打印機的涌現(xiàn)和技術(shù)的不斷進步，3D打印機正在以下領(lǐng)域與傳統(tǒng)制造技術(shù)一決高下。食品。一切液體或粉末狀的食品都可以用3D打印機來進行生產(chǎn)，所以印刷食品會成為將來的一個熱門話題。軍隊。軍工用品通常都是定制的，而且經(jīng)常要更新?lián)Q代。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印的槍支，而這項技術(shù)在軍隊的全面應(yīng)用也只是一個時間問題。電子。電子產(chǎn)品的尺寸、形狀和所用材料決定了它將成為3D印刷技術(shù)最容易攻下的一座城池。玩具。家用3D打印機和開放的設(shè)計資源將改變孩子們的游戲方式。汽車。3D印刷技術(shù)已經(jīng)在汽車制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。福特公司就宣布正在用3D印刷技術(shù)來測試零件。高端和小型的汽車公司也將從中受益，因為3D印刷技術(shù)可以有效提高任何一家公司生產(chǎn)零件的效率。
五、重塑醫(yī)療保健行業(yè)
生物印刷是3D印刷發(fā)展最快的一個領(lǐng)域，這項技術(shù)可以通過噴墨打印機生產(chǎn)出活性組織。相關(guān)研究人員表示，他們已經(jīng)找到了一種更有效地制造細胞的方法。這種名為“細胞塊”打印的技術(shù)能將細胞的存活率從現(xiàn)行方法的50%~80%提高到100%。所有這些都引起了人們對3D打印復(fù)雜器官的濃厚興趣，但由于此項目涉及道德、倫理和政治等諸多問題，因此勢必會引起人們的激烈爭論。
六、改變家庭生活方式
家用3D打印機也在變得越來越小巧，越來越便宜。人們可以用這類打印機制作自己喜歡的珠寶、家居用品、玩具、工具和各種尺寸、形狀或顏色的物品。
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