3D打印技术的应用及发展趋势

3D打印技术的应用及发展趋势

Application and development trend of 3 d printing

technology

摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关

注。因此，本文主要介绍了3D打印技术的工作原理，并对其市场应用进行了详细说明，在此基础上还对其发展趋势做了分析。最后指出，3D打印技术将深刻改变传统行业的产业模式，实现从传统制造向智能制造迈进。

关键词：3D打印技术；工作原理；市场应用；发展趋势

Abstract: 3D printing technology is one of the representative technologies of the third industrial revolution; it has been increasingly become popular in the industrial sectors and investor community．This paper mainly introduces the working principle of 3 d printing,and its market application has carried on the detailed instructions, on this basis also made analysis on its development trend. 3D technology will profoundly change the traditional industrial modes and implement the movement from traditional manufacturing to intelligent manufacturing．

0引言

当前，新一轮的数字化制造浪潮已在世界各国悄然兴起，随着发达国家制造业竞争力的持续下滑，“智能机器人、人工智能、3D打印”将成为实现数字化制造的关键技术。英国《经济学人》杂志曾经在2012年4月份发表了一个封面故事《第三次工业革命》，这个故事在论述数字技术给我们的世界带来变革的同时，特别的提到了3D打印技术会因为对传统工业制造规模效应的冲击将得到非常广阔的发展空间。作为第三场产业革命的标志之一，3D打印技术已在全球制造领域产生了重要影响。该技术已经不是研究员、科学家的专用技术，3D打印机甚至在一些欧美发达国家的应用也相当普遍。它已经从实验室和工厂逐渐走进学校和家庭。3D打印的服装已频频出现在全球各大时装展上，3D打印的曲奇和糕点已成为许多家庭餐桌上颇受欢迎的小点心，就连3D打印的个性家具也受到年轻人的喜爱，在自行车和汽车等交通工具的设计中也日益呈现3D打印元素。从小朋友的定制玩具，到父母的立体婚纱照，再到爷爷奶奶的义齿，3D打印能使家庭中的每个成员都感到惊喜并从中获益。3D打印技术逐渐从打印物体外包造型过渡到打印物体的内部构成，最终发展到打印物体的高级功能和行为阶段。总而言之，3D打印技术在世界上的发展速度已经开始加速。

3D打印技术作为快速成型领域的一种新型技术，目前正迅猛发展。3D打印技术吸引了国内外新闻媒体和社会公众的热切关注。国内外专家一致认为，3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产和复杂精密的零件批量生产成为可能，这将会带来全球制造业的“第四次工业革命”。越来越多的新闻和媒体认为，3D打印产业将会是具有强大的竞争能力的新型产业。

1.3D打印技术简介

1.1.3D打印概念

3D 打印技术（3D printing），即快速成形技术的一种，它是以一种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。过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“3D打印技术”意味着这项技术的普及。

3D打印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”。其生产过程主要足通过电脑软件的3D建模或者是扫描出零件的3D图片，没计出立体的加工样式，然后通过3D打印没备，用树脂、金属粉、 料粉、尼龙粉等固体材料逐层“打印”出产品。

3D打印技术是“增材”制造的主要实现形式。不同于传统的“去除型”制造。3D打印技术运用的足“加法”而不是减法。通过对产品的逐层扫捕。然后分成无数个厚度极小的截面，一层一层的堆叠起来，无需原胚和模具．就能直接根据计算机图形数据。通过这样的叠加材料的方法，能制造出内部结构卡H当复杂的产品。运用这种生产方式。能够大大的简化产品的制造过程。极大程度的缩短产品的制造周期，并能有效的提高生产效率降低生产成本。

1.2工作原理及分类

3D打印技术的基本原理是：将一个在电脑中设计好的或者通过扫描方式完成的三维立体零件模型，沿空间某一坐标轴切成许多个一定厚度的剖面，切剖面的过程可以按微积分的思想去理解，然后通过打印机由下向上一层一层将每一剖面打印出来，再将剖面粘结起来，就会得到所需零件的实体[3]。简单的说就是“分层制造、逐层叠加”。目前主要的3D打印技术方法有以下几种。

（1）光固化立体成型（Stereo Lithography Appa?ratus，SLA）

光固化立体成型是指用激光束照射装在树脂液槽中的光敏树脂，使其能够由点到线、由线到面顺序快速固化，然后升降台下降一个层片的高度，再固化第二个片层，这样层层叠加不断重复，直到整个模型成型完成。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设计扫描路径→激光光束按设计的扫描路径照射液态光敏树脂表面→形成树脂固化层，生成零件的一个截面→升降台下降一个层片的高度→固化层上覆盖另一层液态树脂→

再进行第二次扫描→第二固化层牢固的粘接在前一固化层上→重复以上工序，得到层层叠加而成的三维模型原型。其工作过程示意图如图1.1所示。

图1.1 SLA工作过程示意图

（2）分层实体制造（Laminated Object Manufac?turing，LOM）

分层实体制造是以片材为原材料，在片材表面事先覆盖一层热熔胶，加工时热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接，再利用激光在刚粘结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格，激光切割完成后工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离，供料机构再次使新层移动到加工区域，工作台上升到加工平面，热压辊加热，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚，再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完成，得到分层制造的实体零件。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→基底制作→原型制作→余料去除→后置处理。其工作过程示意图如图1.2所示。

图1.2 LOM工作过程示意图

（3）选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）

选择性激光烧结使用粉末材料作为造型材料，加工时将粉末材料加热到接近于其熔点的温度，再利用辊子将粉末铺平，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→激光烧结→产生原型零件→再次激光烧结→产生零件原型。其工作过程示意图如图1.3所示。

图1.3 SLS工作过程示意图

4）熔积成型（Fused Deposition ModelingFDM）

熔积成型是利用电将丝状热熔性材料加热至略高于熔点温度，在计算机控制下喷头根据截面轮廓信息，将材料选择性的涂敷在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成型完成后，喷头上移一层截面的高度，再次涂敷下一层，这样逐层堆积直至形成完整的三维工件。其工艺路线是：用CAD做好三维模型→对模型进行切片处理→设置扫描路径→对材料进行加热→喷头按照设置好的路径进行涂敷→快速冷却→喷头上移→再次按设置好的路径进行涂敷→继续重复以上涂敷工序，得到逐层堆积而成的完整工件。其工作过程示意图如图1.4所示。

图1.4 FDM工作过程示意图

2.3D打印技术市场应用

经过多年的发展，3D打印技术已初步形成了一套体系，同时该技术可应用的领域也逐渐扩大，已涵盖产品设计、模具设计与制造、材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等各个领域，前景远大。显然，只有不断提高3D打印技术的应用水平，才能持续推动3D技术的发展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面。 2.1产品设计领域

工业设计师新的设计造型观必将随着时代、科技和人文艺术的发展而更新。随着3D打印技术的发展与应用，产品的生产方式已不再成为设计师想象力的束缚。外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且浑然一体。设计师能够专注于产品形态创意和功能创新，即所谓“设计即生产”。产品造型设计将呈现多元化趋势，在其技术属性、经济属性、美学属性、环境属性、人机属性等要素中，美学属性要素所占的比例得到提升，产品造型艺术化表现方式将逐渐流行，届时消费者对于产品造型的审美观也将随之发生改变。

3D打印使复杂的产品结构成为可能，同时产品结构设计的一体化趋势逐渐显现。由于目前生产工艺的限制，一般产品大多由若干部件组装起来共同构成产品的主体结构。这种组装结构增加了产品的质量、体积、复杂度和故障几率，同时在生产和装配过程中浪费了大量的材料及能源。3D打印技术的“加式”方法使产品结构一体化，变得更加简单，甚至某些特殊铰接结构可借助辅助性材料一次成型而无需组装，不仅提高了生产效率，也提高了产品的结构强度和可靠性。 2.2 模具制造领域

模具行业是一个跨度非常大的行业，它与制造业的各个领域都有关联。在现代社会，制造和模具是高度依存的，无数产品的部件都要通过模制（注射、吹塑和硅胶）或铸模（熔模、翻砂和旋压）来制造。无论什么应用，制造模具都能在提高效率和利润的同时保证质量。

传统的模具制造方法周期长、成本高,一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。与数控加工相比，3D打印制造技术可以更快更方便的制造出各种复杂的原型。将3D打印制作的样件用于模具制造，一般可使模具制造的成本和周期减少一半，显著提高生产效率。间接用3D打印样件实现快速模具制造的方法一般有硅胶模、环氧树脂模、金属冷喷涂等。由于锻造方法常用来制造形状很复杂的零件，所以3D打印与传统的锻造方法相结合，可解决传统铸造加工困难的瓶颈问题。

（1）模具生产周期缩短

3D打印模具缩短了整个产品开发周期，并成为驱动创新的源头。在以往，由于考虑到还需要投入大量资金制造新的模具，公司有时会选择推迟或放弃产品的设计更新。通过降低模具的生产准备时间，以及使现有的设计工具能够快速更新，3D打印使企业能够承受得起模具更加频繁的更换和改善。它能够使模具设计周期跟得上产品设计周期的步伐。 例如图2.1为隆源成型制造的缸盖气道和水套的组合芯，利用激光烧结技术一次烧结成型，提高了组模精度，成型时间仅用19小时。缸盖外模可用传统方法制作，这样就大大缩短了缸盖的研发时间，从CAD设计到缸盖铸件图2.2的完成只需约20天。

图2.1 发动机缸盖气道，水套组合芯

图2.2 发动机缸盖铝铸件

（2）制造成本降低

如果说当下金属3D打印的成本要高于传统的金属制造工艺成本，那么成本的削减在塑料制品领域更容易实现。

金属3D打印的模具在一些小的、不连续的系列终端产品生产上具有经济优势（因为这些产品的固定费用很难摊销），或者针对某些特定的几何形状（专门为3D打印优化的）更有经济优势。尤其是当使用的材料非常昂贵，而传统的模具制造导致材料报废率很高的情况下，3D打印具有成本优势。

此外，3D打印在几个小时内制造出精确模具的能力也会对制造流程和利润产生积极的影响。尤其是当生产停机或模具库存十分昂贵的时候。

最后，有时经常会出现生产开始后还要修改模具的情况。3D打印的灵活性使工程师能够同时尝试无数次的迭代，并可以减少因模具设计修改引起的前期成本。

（3）模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性。

通常，金属3D打印的特殊冶金方式能够改善金属微观结构并能产生完全致密的打印部件，与那些锻造或铸造的材料（取决于热处理和测试方向）相比，其机械和物理性能一样或更好。增材制造为工程师带来了无限的选择以改进模具的设计。当目标部件由几个子部件组成时，3D打印具有整合设计，并减少零部件数量的能力。这样就简化了产品组装过程，并减少了公差。

此外，它能够整合复杂的产品功能，使高功能性的终端产品制造速度更快、产品缺陷更少。例如，注塑件的总体质量要受到注入材料和流经工装夹具的冷却流体之间热传递状况的影响。如果用传统技术来制造的话，引导冷却材料的通道通常是直的，从而在模制部件中产生较慢的和不均匀的冷却效果。

而3D打印可以实现任意形状的冷却通道，以确保实现随形的冷却，更加优化且均匀，最终导致更高质量的零件和较低的废品率。此外，更快的除热显著减少了注塑的周期，因为一般来说冷却时间最高可占整个注塑周期的70％。

（4）优化工具更符合人体工学和提升最低性能

3D打印降低了验证新工具（它能够解决在制造过程中未能满足的需求）的门槛，从而能够在制造中投入更多移动夹具和固定夹具。传统上，由于重新设计和制造它们需要相当的费用和精力，所以工具的设计和相应的装置总是尽可能地使用更长的时间。随着3D打印技术的应用，企业可以随时对任何工具进行翻新，而不仅限于那些已经报废和不符合要求的工具。

由于需要很小的时间和初始成本，3D打印使得对工具进行优化以获得更好的边际性能变得更加经济。于是技术人员可以在设计的时候更多地考虑人体工学，以提高其操作舒适性、减少处理时间，以及更加方便易用、易于储存。虽然这样做有可能只是减少了几秒钟的装配操作时间，但是架不住积少成多。此外优化工具设计，也可以减少零件的废品率。 2.3 汽车领域

汽车工业在国家经济发展中起着重要支柱的作用，汽车零部件的制造存在着巨大的商机。但随着汽车技术的发展，汽车零部件的形状越来越复杂，采用传统制造技术制造汽车零

部件，不但所需周期长，而且成本高。利用3D打印技术生产汽车零部件可快速成形，特别是在设计早期验证产品装配可行性时，能及时发现产品设计差错，缩短开发周期，降低研发成本，快速验证关键、复杂零部件或样机的原理及可行性，例如缸盖、同步器开发，以及橡胶、塑料类零件的单件生产，无需金属加工或任何模具，免去了模具开发、铸造、锻造等繁杂工序，省去试制环节中大量的人员、设备投入。福特汽车公司已经利用3D打印技术制造了混合动力车中的转子、阻尼器外壳和变速器；日本的小岩公司已经能够运用3D打印技术制造涡轮增压器等汽车零部件；目前，我国国内已有汽车零部件企业通过3D打印技术制作缸体、缸盖、变速器齿轮等产品用于研发使用。 2.4 在航空领域的应用

波音公司已经利用3D打印技术制造出300种左右的飞机零部件，同时波音公司正在与霍尼韦尔公司研究利用3D打印技术打印飞机机翼等更大型的产品。空客公司最近提出“透明飞机概念”计划[2]，即先打印飞机的小部件，然后一步步发展，到2050左右利用3D打印技术打印出整架飞机。由于概念飞机本身结构的复杂性，采用传统制造方法难以实现，比如能让乘客看到周围蓝天白云的透明机壳、仿生的弯曲机身等，采用3D打印技术都可以实现其制造。在国内，西北工业大学黄卫东教授团队利用3D打印技术，制造出长达5m的钛合金机翼前缘，并且通过了中国商用飞机公司的5项测试，其性能略高于此前业界常用的锻造件；北京航空航天大学王华明教授团队，针对大型飞机、航空发动机等国家重大战略项目，经过多年研究，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，并已在飞机大型构件生产中研发出五代、10余型装备系统，已经接受近10年的工程实际应用考验，使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。 2.5 在医学领域的应用

3D打印技术在打印牙齿、骨骼修复等方面的技术已经比较成熟。由于每一个人的牙齿都不一样、每一位病人的骨骼损坏程度也不一样，采用传统复方法，不但成本高，而且耗费时间长，会给病人在承受疾病痛苦的同时，带来经济上的压力。而3D打印技术正好可以解决这种个性化、复杂化、高难度的技术需求。3D打印巨头Stratasys公司最近开发出了一种名为Veroglaze的材料，可用于打印牙冠、牙桥修复、制造诊断蜡型和其他牙齿相关对象；2014年3月，第四军医大学西京医院骨科郭征教授带领的团队，将3D打印技术制备的钛合金假体，分别植入3位骨肿瘤患者体内，修复了不同部位的骨骼缺损。这3位患者发病部位分别是骨盆、肩胛骨和锁骨。同时，3D打印技术在打印细胞、软组织、器官等方面也有所

发展，早在2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试了以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官；2013年，来自杭州电子科技大学等高校的科学家研发出中国首台自主知识产权细胞组织3D打印机，该3D打印机使用生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料或活细胞，目前已成功打印出较小比例的人类耳朵软骨组织、肝脏单元等。 2.6 在建筑领域应用

Joseph Pegna是第一个尝试使用水泥基材料进行建筑构件3D打印的科学家，其方法类似于选择性沉积法：先在底层铺一层薄薄的砂子，然后在上面铺一层水泥，采用蒸汽养护使其快速固化成型。而当前应用于建筑领域的3D打印技术主要有三种：D型工艺、轮廓工艺和混凝土打印。

D型工艺由意大利发明家恩里克·迪尼发明，D型工艺打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层黏合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物。工作状态下，三维打印机沿着水平轴梁和4个垂直柱往返移动，打印机喷头每打印一层时仅形成5mm～10mm的厚度。打印机操作可由电脑CAD制图软件操控，建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置铁管进行加固。事实上这种方法类似于选择性粉末沉积，打印所使用的材料为氯氧镁水泥。目前，这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。2013年1月份，一位荷兰建筑师与恩里克·迪尼合作，尝试运用D型工艺技术建造一栋建筑，命名为“Landscape House”，预期在2014年完成。该工艺甚至可以用于建筑人类在月球上的居所。

“轮廓工艺”是由美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯提出的。与D型工艺不同是，轮廓工艺的材料都是从喷嘴中挤出的，喷嘴会根据设计图的指示，在指定地点喷出混凝土材料，就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。 然后，喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出，规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙，再扣上屋顶，一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具，打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分，研发者认为这样将会大大提升建筑效率。目前，运用该技术已经可以打印墙体，而且该团队正在与美国宇航局合作，试图将轮廓技术运用到美国未来“火星之家”项目中，建造人类在火星上的居所。

混凝土打印由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，该技术与轮廓工艺相似，使用喷嘴挤压出混凝土通过层叠法建造构件。该团队研发出一种适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土，并测试了这种混凝土的密度、抗压，抗折强度，层间的粘结强度等物理性质，证实该混凝土可以用于混凝土打印技术。目前该团队用混凝土打印技术制造出了混凝土构件。

2014年8月21日，苏州的建筑材料公司盈创使用一台巨大的3D打印机，采用特殊的墨水—混凝土进行打印，在一天内主要利用可回收材料，建造了10栋200平方米的毛坯房，展示了3D打印机的强大功能。

图2.3 盈创公司用3D打印技术生产的建筑构件和用构件组装的房屋

2.7 在军事领域应用

在军事领域，3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。在未来信息化战场上，无论武器装备处于任何位置，一旦需要更换损毁的零部件，技术保障人员可随时利用携带的3D打印机，直接把所需的部件一个一个地打印出来，装配起来就可以让武器装备重新投入战场。据外媒报道，美国陆军已经加入扩展3D打印行动，为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”，2012年，他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室，实验室由一个6m的集装箱制成，配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具，可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。 2.8 在食品领域应用

3D打印在食品领域也有成功的应用，做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉。美国泰尔基金会近日已投资成立了“鲜肉3D打印技术公司”，希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品；德国科技公司Biozoon最近推出了一种叫“Smoothfood”的3D打印食品，以解决老人的进食困难问题，为进食困难的老年人带来福音，这种食品的制作方法是：将食品原料液化并凝结成胶状物，然后通过3D打印技术制造出各种各样的食物。这种食物很容易咀嚼和吞咽，很可能成为老人护理行业的革新者；国内福建省蓝天农场食品有限公司利用3D打印技术做出色彩缤纷的个性化饼干，受到儿童和年轻女孩的喜爱，市场销路非常好。 2.9 在考古文物领域的应用

3D打印技术在考古文物领域主要用于修复已经破损的古文物。在应用3D打印技术进行文物修复时，需要使用3D扫描仪扫描破损文物，完成数据采集，并处理数据，建立相应

的模型之后进行打印美国哈佛大学闪族博物馆的两位研究人员通过3D打印修复了一个在3000年前被打碎的瓷器狮子（如图2.3所示）杭州铭展科技有限公司采用3D打印技术修复的天龙山石窟的石像（如图2.4所示）古文物的修复展示了3D打印技术在保存物质文化方面的作用。

图2.3 瓷狮子修复

图2.4 天龙山石窟的破损石像和复原石像对比图

2.10 在时尚界中的应用

3D打印技术在时尚界主要用于制作个性化的衣服鞋子等时尚品。目前，3D打印技术主要是应用尼龙蜡ABS聚碳酸酯金属和陶瓷等粉末材料，采用选择性激光烧结成型的技术制作衣服和鞋子，如美国Continuum Fashion工作室打印的3D时尚凉鞋（图2.5），首款3D打印礼服（图2.6），3D打印技术在时尚界引起轰动。

图2.5 时尚凉鞋

图2.6 时尚晚礼服

2.11 在日常生活中的应用

3D打印技术在日常生活用品中主要用于制作个性饰品，如个性笔筒手机外壳戒指以及各种饰品都可以通过3D打印技术打印出来.图2.7是3D打印一次性打印的音乐扩音器，该扩音器外壳电线膜片磁体都是打印的，它是一个集成的系统不是一个无源的部件，属于消费级别的电子产品。在未来的几年，这种个性化的生活品可能更加流行。

图2.7 音乐扩音器

2.12 IT应用

最近，迪士尼的一组研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上，以低廉造价打印出了L C D屏幕与多种传感器，实现了I T应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的国际象棋，这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。尽管这种单色屏与日常生活中见到丰富多彩的显示屏相比有些微不足道，但其拥有3D打印技术成本低廉、制造工艺简单的优势。除了显示屏，利用3D打印技术还能够打印出多种传感器。这些传感器可以通过红外光来侦测触摸、振动等刺激，并将结果输出。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。 2.13 在制造业的应用

3D打印技术在制造业主要用于控制大规模生产质量，降低传统制造业的制作成本，提高速度和精确度。从3D打印技术造出世界首艘3D打印皮划艇，并且成功下水开，到世界上首辆3D打印汽车Urbee在加拿大亮相，3D打印技术对传统制造业产生了一种颠覆性的变革 3D打印技术通过软件将材料一层层堆积制作出产品，无需对材料切割、锻打组装等工序，节约人力资源，提高了产品的生产效率。

近期，康奈尔大学创意机器人实验室HodLipson提出使用3D打印技术打印机器人的零部件，比如电池电线，甚至微处理器等，打印机不仅可以打印出形状随意的机器人，也可以一次性打印而成机器人所有的机械装置和内部部件，并在打印出来时就完全装配好，无需组装过程（如图2.8所示）打印机还可以打印出如图2.9所示的仅3克重的轻便型的机器人，该机器人制动翅膀在空中自由飞行可以持续90秒，除了发动机和电池，其他部分都是打印出来的。

图2.8 3D打印机器人

图2.9 轻便型机器人

3 3D打印技术的发展趋势

3D打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态

一是使制造工艺发生深刻变革。3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。例如，在航空航天工业领域中应用的金属部件通常是由高成本的固体钛加工而成的，90%的材料被切除掉，这些切削材料对于飞行器的制作是毫无利用价值的。空客的母公司欧洲宇航防务集团( EADS) 研究人员指出，这些用钛粉末打印出的部件与一个传统用固体钛加工出来的部件一样经久耐用，但节省了90%的原材料。

二是带动制造技术的重大飞跃。3D打印技术是一门综合应用CAD/CAM技术、激光技术、光化学、控制、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术。3D打印技术的不断成熟将推动新材料技术和智能制造技术实现大的飞跃，从而带动相关产业的发展。

三是使制造模式发生革命性变化。3D打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变。3D打印机的推广应用将缩短产品推向市场的时间，消费者只要简单下载设计图，在数小时内通过3D打印机就可将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要大量的生产工人，不需要库存大量的零部件，即所谓的“社会化制造”。“社会化制造”的另一优势是通过制造资源网和互联网，快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网，这是实现敏捷制造、精益制造和可持续发展的一种生产模式。

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。

随着3D打印技术的发展，3D制作成本不断下降，制作精度进一步提高，在弥补传统工业不足的同时带动传统印刷产业的发展，3D打印技术已在市场上形成不可阻挡的发展趋势 此外，3D打印机具有灵活性轻便性移动性，操作员可以通过网络发出指令，产品可以在不同的地方生产并配送给客户，颠覆了传统的生产时间和地点不易改变得观念，也颠覆了传统的供应链分销网的部署格局，可以实现真正的云制造。在未来的几年，也许一款款新的手机或者智能机器人，可以通过3D打印机完成材料打印、材料组合、产品组装整个制造过程。

4 总结

作为一种新兴的技术类型，可以预见在今后很长一段时间内3D打印仍然将被人们广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的广阔的应用前景，许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规划，布局3D打印产业。

在不久的将来，随着3D打印技术的进一步完善，不仅会从根本上改变延续近百年的现代制造业模式，而且会从各个方面影响着人类的生活方式。届时，人类的想象力将不再受到制造工艺的束缚，创造力会得到空前的激发，社会上将会涌现大量设计品牌，用户的个性化需求得到前所未有的满足，人们只需要一台3D打印机就可以将自己的创意变为产品。 参考文献

[1] 谷祖威. 3D 打印技术队汽车零部件制造业的影响[J]. 现代零部件，2013，9：68-69 [2] 王雪莹.3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高薪技术企业，2012 , 6，11-13 [3] Print me a Stradivarius[J]．Economist，2011-2-10． [4] The printed world[J]．Economist，2011-2-10．

[5] Wohlers Associates Inc．Wohlers Report 2011[R]．2011． [6] Enrico Dini. “D_Shape.”, http://www.d-shape.com.

[7] B. Khoshnevis, D. Hwang, K. Yao, Z. Yeh, Mega-scale fabrication by contour crafting,

International journal of Industrial and System Engineering Vol 1 (no. 3)(2006) 301-320.

[8] S. Lim, T. Le, J. Webster, R. Buswell, S. Austin, A. Gibb,T. Thorpe, Fabricating construction

components using layer manufacturing technology, (GICC'09), Paper presented at the Global Innovationin Construction Conference, Loughborough University, Leicestershire, UK, 2009, 13-16 September, 2009.

[9] Cesaretti G, Dini E, De Kestelier X, et al. Building components for an outpost on the Lunar

soil by means of a novel 3D printing technology[J]. Acta Astronautica, 2014, 93: 430-450. [10] Le T T, Austin S A, Lim S, et al. Hardened properties of high performance printing

concrete[J]. Cement and Concrete Research,2012, 42(3): 558-566

[11] Yang S F,Julian R.A dry powder jet printer for dispensing and combinatorial

research[J].Powder Technology.2004( 142) :219-222.

[12] Blazdell J. Application of a continuous ink jet printer to solid free forming of ceramics

[J].Journal of Materials Processing Technology,2000( 99) :94-102.

[13] Robert Q. Stuart M,Phil R,et al. Shaping our national competency in manufacturing[EB/OL].

[2012-09-18]. http: //www.materialsktn.net/

[14] Terry W.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry[R].Annual Worldwide

Progress Report Wohlers Associstions.2012.

[7] B. Khoshnevis, D. Hwang, K. Yao, Z. Yeh, Mega-scale fabrication by contour crafting,

International journal of Industrial and System Engineering Vol 1 (no. 3)(2006) 301-320.

[8] S. Lim, T. Le, J. Webster, R. Buswell, S. Austin, A. Gibb,T. Thorpe, Fabricating construction

components using layer manufacturing technology, (GICC'09), Paper presented at the Global Innovationin Construction Conference, Loughborough University, Leicestershire, UK, 2009, 13-16 September, 2009.

[9] Cesaretti G, Dini E, De Kestelier X, et al. Building components for an outpost on the Lunar

soil by means of a novel 3D printing technology[J]. Acta Astronautica, 2014, 93: 430-450. [10] Le T T, Austin S A, Lim S, et al. Hardened properties of high performance printing

concrete[J]. Cement and Concrete Research,2012, 42(3): 558-566

[11] Yang S F,Julian R.A dry powder jet printer for dispensing and combinatorial

research[J].Powder Technology.2004( 142) :219-222.

[12] Blazdell J. Application of a continuous ink jet printer to solid free forming of ceramics

[J].Journal of Materials Processing Technology,2000( 99) :94-102.

[13] Robert Q. Stuart M,Phil R,et al. Shaping our national competency in manufacturing[EB/OL].

[2012-09-18]. http: //www.materialsktn.net/

[14] Terry W.Additive manufacturing and 3D printing state of the industry[R].Annual Worldwide

Progress Report Wohlers Associstions.2012.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4vw.html