3D打印技术与未来应用.doc

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1、3D打印技术与未来应用对于关注打印领域的读者来说，3D打印技术也许并不是什么陌生词了。而普通大众关注3D技术，还要追溯到前年年初上映的詹姆斯卡梅隆的3D大片阿凡达。虽然电影阿凡达描绘的美丽景象没有在观众记忆中停留多久，但3D影像技术带给观影者震撼的视觉冲击，却一直影响着随后电影工业的发展，从阿凡达开始，几乎所有的大制作高成本影片无不推出3D版，而前段时间上映的3D影片超凡蜘蛛侠更是叫好又叫座，这说明3D技术的电影制作已经深入人心，并深受大众喜爱。近几年“3D打印”成了超前科技的代言词，火遍全球。其实3D打印并不能算是一项新技术，它早在20世纪80年代便已产生，只是因为成本巨大，在最近几年才进军

2、艺术界和工业界，用以制造假肢、汽车零部件、家具和珠宝等。由于其迅猛的发展态势，也许在未来的某一天，3D打印能够像上帝那样打印出人类。得益于3D技术制作的电影受到好评，现如今3D技术的发展涉及到了各行各业。而在制造行业，“3D打印技术”的影响正在日益凸显。你可能觉得3D打印技术是边缘技术，只有标新立异的人或者是高端设计室才用，但其实在不经意中，你早就接触到了3D打印产品。比如在牙科诊所，很多定制的口腔设备现在都在使用3D打印机。口腔防护器可调整牙齿的排列，牙科医生扫描了牙齿的位置后就可以利用软件制作一个塑料模型，带上数月后就可以把牙齿调整到合适的位置。另外利用3D打印机可以很快的制作出牙齿的模型

3、，牙医可以现场磨制假牙给你换上。应用 无法替代传统制造方式，成本、材料因素限制市场 3D打印上世纪80年代诞生于美国，学名是“增材制造”，是将材料一次性熔聚成型的制造方式，与传统对原材料进行切削等的“减材制造”方法相反。 “与盖楼过程一样，3D打印也是从地基建起，通过打印材料的层层叠加，最终形成一个完整的立体物品。”华中科技大学材料科学与工程学院教授史玉升说，理论上，塑料、金属、陶瓷、沙子等材料做成粉状物后都可以用作打印的“墨水”。 新产品在实际制造成型后，可能与原设计有出入，因此量产前常常需要样品验证，3D打印正好发挥了其在单件或小批量生产上的优势。另外，3D打印在高端尤其是复杂零件加工上有

4、较大潜力。传统制造方法需要经过开模具、铸造或锻造以及精加工，费时费料。而3D打印的一次成型技术，能够打印出设计好的复杂结构，节约了材料，降低了零部件的研制周期和成本。 “有一家铸造企业用选择性激光烧结3D打印机，将复杂铸件的交货期由传统的3个月缩短到了10天左右，”史玉升举例说，“还有某发动机制造商采用这样的设备，把大型六缸柴油发动机缸盖砂芯的研制周期，由过去的5个月缩短至1周左右。” 速度快、省材料、能轻松应对结构复杂的产品既然身兼种种特长，3D打印技术已诞生30多年，为什么一直没发展起来? 中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军认为，关键在于3D打印技术对传统制造技术的替代作用不强。虽然在部分

5、产品的小批量生产和模具生产上颇有优势，但在大批量生产上，3D打印的速度和成本其实都比不过传统制造方式。打印材料品种的单一和昂贵的成本，使其局限于对价格敏感度不高的产品，市场应用领域有限。 “3D打印技术只是传统制造业的补充。”史玉升表示。罗军也认为，3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业擅长批量化、规模化和精益化的生产，两者是互补关系，“不是谁替代谁的问题”。 在罗军看来，3D打印技术没得到大发展的另一个原因在于，国内3D行业“小而散”的局面影响了产业的推广。因此，去年10月15日，中国3D打印技术产业联盟成立，集合了国内40多家从事3D打印的企业和科研单位。罗军希

6、望通过联盟形成合力，以行业抱团发展模式逐步打开市场。 现状 设备、材料及应用领域与国外尚有差距，活体组织打印是未来重要方向 发展3D打印技术，中国其实起步并不晚。这方面的研究在上世纪80年代末就已开始，研究力量集中在西安交通大学、华中科技大学和清华大学等高校。 目前，这3所高校仍是我国3D打印技术的研究重地，其中西安交通大学侧重研究光固化技术，华中科技大学的优势在于激光粉末烧结技术，而清华大学则侧重塑料堆积技术。 史玉升表示，我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平，两者的差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。“部分3D打印机的关键器件需从国外进口，而用国产零件生产的打印机稳定性不够

7、。”此外，我国在材料质量和品种上还远不如美国、德国丰富，许多研发的实验材料也需要进口。 “更大的差距体现在应用上。”史玉升说，在国外，3D打印技术已经在新产品开发、生物医疗、航空航天、影视教育创意等方面有较多应用，而我国还主要局限于模具打印、文化创意产品等少数领域。 另外，在西方国家，3D打印技术可以打印出个性化的假牙、假肢，在医疗健康领域已经取得成效。不过，“假”的东西并不能让人们满足。“未来3D打印技术一个前沿方向是研究如何打印活的人体零件。”史玉升说，只要能找出与人体相容的材料，打印出网状物，再把人体的细胞放上去培养，就能制造出真正的人体组织了。 不过，当前打印人体器官还只是一种科学愿景

8、，这依赖于打印材料和技术上的突破，并需要开展生物、医学、计算机等多学科来交叉研究。 虽然还有不小差距，但3D打印技术已经算是我国制造行业与国外先进水平差距很少的技术之一，部分领域几乎同步，在某些方面还具有自身特色和一定的优势。北京航空航天大学的王华明教授曾打印出世界上最大的钛合金复杂构件，产品整体性能远超锻件。 史玉升认为，中国要从制造业大国走向强国，依靠当前加工型的、技术含量低的生产手段难有根本改观，国家应加强对3D打印技术研究的支持。 据了解，我国从去年底已经启动了中国工程院增材制造咨询项目，为未来中国3D打印技术发展献计献策。 3D打印的工作原理说到它的原理，其实也并不不复杂，其运作原理

9、和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。MakerBot公司的3D打印机打印时，粉末耗材会一层一层地打印出来，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住，最后一层一层叠加起来，就像我们坐在海边用沙子堆砌城堡一样的程序，最终经过分层打印、层层粘合、逐层堆砌，一个完整的物品就会呈现在我们眼前了。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

10、Objet Connex 3D打印机工作原理堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司，使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。Objet Connex 3D打印机工作原理之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。Objet Connex 3D打印机工作原理（点击看大图）还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒

11、在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。Objet Connex 3D打印机工作原理（点击看大图）它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。Objet Connex 3D打印机工作原理（点击看大图）当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。Objet Connex 3D打印机工作原理（

12、点击看大图）如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。3D打印的发展现状3D打印，过去在科研、教学或者制造领域被称为“快速成型技术”。3D打印”这个更为形象的叫法快速被大众接受和普及。随着材料科学的快速发展，快速成型技术正在各个领域均有极大延伸，比如打印建筑物、打印汽车、打印人体器官、打印骨骼，而且我们还可以用3D打印机打印自己设计的衣服。我们首先用扫描仪对自己的身体进行一下扫描，这样就能得到我们身材的尺寸，然后通过CAD对扫描数据进行加工和修改，这样我们就可以自己打印出衣服和裤子。目前美国的3D打印

13、技术较为领先，应用范围更广。近期，全美第一家3D打印机耗材专营店在纽约曼哈顿的NOHO地区正式开业。据悉，这家商店是由全球3D打印设备领头羊企业MakerBot公司开设的。并推出了最新一代也是该公司的第四代3D打印机“Replicator2”。该机器具有更加灵巧的外观以及3倍于老款机器的打印精度。据了解，MakerBot零售店里并不提供现场3D打印服务，而且正在销售的3D打印机产品则要价2199美元(约合14000元人民币)。而据MakerBot的未来业务规划显示，该公司还会再明年年初推出第五代机器Replicator2X，该机器可以满足发烧友和专业人士对打印效果的需要。对此，MakerBot

14、的CEO佩蒂斯在早前新闻发布会上说到：“我们所推出的新款打印机制定了桌面3D印刷的标准。打印出来的东西再也不会像过去那么粗糙了。如果未来零售业务运行良好的话，那就代表3D打印将进入主流消费市场。”MakerBot Replicator而在国内，今年1月份，华中科技大学材料科学与工程学院副院长史玉升带领的团队成功研制出世界上最大的3D立体打印机，并且凭借这一研究成果入选两院院士评选的“2011年中国十大科技进展”，中国的3D打印正在快速发展，从工业和制造业应用开始朝个人和小型化方向发展。早期一套用于工业设计制造的3D打印设备在10万美金左右，近几年价格降低到2万美金左右，而小型化个人桌面3D打印

15、机售价在1000美金左右，史玉升研制的这款3D立体打印机UP!3D官方售价9999元人民币，这款国产3D打印机已经在美国等国外地区销售。3D打印早已来到我们身边目前，3D打印使产品供应链的格局和人们的生活方式都发生了转变。而且它的应用范围之广让人难以置信。今天笔者就列举几项和我们生活密切相关的例子，让大家感受一下3D打印离我们并不遥远。食品行业英国埃克塞特大学研究人员，去年推出世界首台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。建筑设计在建筑业里，工

16、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。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。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。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

17、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。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，同时还做了比例缩减，更适合研究。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。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

18、印替代品放在了原来雕塑的位置。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。甚至不用等到未来，现在就可以实现。3D打印机可以完成很多在现在看起来匪夷所思的事，从某种角度来说，很多想象的到的东西，都可以通过3D打印直接得到。在未来3D打印还有可能走进千家万户，融入到我们的生活中，像电脑一样普及。3D打印技术在军事上的应用近年来，中国以先进战机为代表的各种尖端武器密集亮相，让世界看花了眼。为此有人传言称，中国航空工业迅速发展的“秘密武器”就是得益于领先世界的3D打印技术。而中国也是

19、目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。 那么果真是“横空出世”的3D打印技术成就了中国战机的高速发展吗？为此记者独家专访了中航工业沈阳飞机设计研究所副总设计师、飞机结构3D打印应用技术领军人物王向明。 3D打印，这项被英国经济学人认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从建筑“烧”到每个人的日常用品，如果不是王向明亲口证实3D打印在我国航空领域的应用，实在很难相信它的真实性，更不会想到这项技术我们已经实实在在的走在了世界的前端。 王向明：飞机钛合金用量很大，钛合金很昂贵，是40-50万一吨，用传统工艺

20、生产零件的话，最后零件材料的利用率都不到5%，另外这个材料很粘，加工的时间又长又费钱。基于这两条，一个零件的加工成本非常高，一公斤的制件可能都要几万元，所以从这个角度说，3D技术周期短、可以省很多钱。 不仅如此，采用3D技术制造战斗机零部件，将给战斗机性能带来巨大的帮助。由于在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，所以美国至今还没有生产出高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。 相比之下，中国激光钛合金成形技术在航空领域已经得到了广泛的应用。今年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航工业与北京航空航天大学联合展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整

21、体关键构件激光成形技术，一个5平方米钛合金加强框，就是通过3D打印技术成功制造。 这个家伙，不仅是国内最大，还一举成为世界最大的3D技术制造的飞机钛合金零件。然而王向明在采访中表示：这还不够大！目前，中国已具备了使用3D打印技术制造更加复杂，尺寸更大的钛合金零件甚至部件技术和能力，成为目前世界上唯一掌握这一技术国家。 王向明：2005年之前我们一直跟美国人在学，05年之后我们一直在对大型、复杂钛合金结构开展激光技术研究，在08-09年我们取得了突破性进展，并在我们国家一个重点型号上装机应用，目前为止。已经进行了批量供货，这不仅是批量供货问题，它的装机就标志着我们中国突破了钛合金大型复杂整体结构

22、件的设计、制造和工程化的瓶颈，这就说明我们中国一下子跑到世界前面去了。 在美军控制的一个军事基地附近，一架由3D打印机打印出来的无人机被叛军击落。几个小时后，一个实验团队赶在大量代替物生产出来之前搭乘直升机前往该基地。在几英里外的海岸线上，一个由军舰改造而成的海上海军工厂收到了各种3D打印原材料，并使用船上的打印机制造了从武器装备到食品到人体器官等的各种军需品。 这就是军事专家幻想中，3D技术为未来战争带来的巨大变化。不过，在王向明看来，尽管3D给制造业带来一些变革，但是要做到“无所不能”，现在还尚未达到这个程度： 王向明：之前有报道说美国人打了一支枪，这个不新鲜，这个20年前就能打，我办公桌

23、上的树脂的飞机就是打印的，而且现在很多东西已经产业化了。有些人认为这就是第三次工业革命的到来，我认为现在还远远没到这个程度。这个东西只能说它是一个先进的或者是变革的制造技术，它具备传统工艺不具备的优点，它适合材料成本比较高，制造比较复杂，传统工艺造不出来的一些零件，到目前为止只能停留在这个认识上。 王向明表示，随着3D技术的发展，未来的中国新型飞机，将不仅仅是打印零部件，整架飞机也有可能直接打印出来。总有一天，3D打印的中国飞机将翱翔在祖国的蓝天上： 王向明：现在只能做很小一个功能件，如果有一天把零件做大、做强，把功能也做到一起，那这个时候就了不得了，我目前就在做这个事情，这个月的月底，我们就

24、能做出来一个飞机十八分之一的大部段的一个笼子，将来某一天我真有可能做出一个飞机的大部段出来，也就是几年之后，或者十几年之后，我们离打印飞机就不远了，这就开始革命了。 国内3D打印技术现状喜的是3D打印在我国已初步具备产业发展基础，政府、企业等对3D打印产业发展前景看好，兴趣浓厚；忧的是3D打印目前仍面临一些瓶颈和挑战，距离大规模商用和民用尚需时日近期，随着3D打印设备及产品扎堆亮相第十六届北京科博会及“2013世界3D打印技术产业大会”在北京召开，3D打印的相关话题持续成为舆论热点。借助利好消息，沪深A股上市公司中的3D打印板块也迅速走出一波上涨行情，如光韵达、金运激光等。从“2013 世界3

25、D打印技术产业大会”透露出来的消息显示，我国3D打印产业发展有喜亦有忧，喜的是3D打印在我国已初步具备产业发展基础，政府、企业等对3D打印 产业发展前景看好，兴趣浓厚；忧的是3D打印目前仍面临一些瓶颈和挑战，距离大规模商用和民用尚需时日。3D打印产业有望保持几何级增长基于我国3D打印技术的积累和潜力巨大的发展空间，3D打印产业发展被寄予厚望。在 日前由亚洲制造业协会、中国3D打印技术产业联盟、英国增材制造联盟等单位共同主办的“2013世界3D打印技术产业大会”上，中国3D打印技术产业联盟 秘书长、亚洲制造业协会CEO罗军表示，目前，中国3D打印技术产业联盟已经成立。今年7月将正式启动中国3D打

26、印的创新中心，下一步将选择10个工业城 市集中建设3D打印技术产业创新中心。预计用3年左右时间，国内3D打印产值可能达到百亿元。如果能够顺利跨上百亿元台阶，此后几年，3D打印产业无论是 在国内市场还是国外市场都有望保持几何级增长。4月下旬，来自媒体的一则消息称：在3D打印的热潮中，激光打印设备是关键。我国首台万瓦 连续光纤激光器近日在位于武汉光谷的武汉锐科问世，此次突破标志着中国成为继美国后，世界上第二个掌握此技术的国家，成功打破了光纤激光器一直由国外公司 垄断的局面，将有力促进3D打印产业的发展。而国务院发展研究中心副研究员王忠宏在今年1月下旬接受中国经济时报记者采访时就曾表示，我 国3D打

27、印产业已初步具备发展基础，并具有一定优势。从数量上看，我国已成为继美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。在3D打印产业应用方面，我国 也取得了一定进展。国内已有多家公司依托高校成果，对3D打印设备进行产业化运作，并拥有自主知识产权。其中，由部分公司生产的便携式桌面3D打印机已具 备国际竞争力，进入了欧美市场。3D打印正在积聚群众基础，人们逐渐对其从概念到认知再到接受。在近期举行的第十六届北京科博会(简称 “科博会”)和第二届中国(北京)国际服务贸易交易会(简称“京交会”)上，3D打印机相关设备和产品受到参展观众热情追捧，各个3D打印机展位前总是围 满了好奇的观众。3D打印设备、技术和产品涵

28、盖了高、中、低端。其中，一款运用3D打印技术制造的飞机钛合金 后机身整体主承力框非常精巧，该技术为“飞机钛合金大型整体关键构件激光成型技术”，这是3D打印技术的高端发展形式；家用3D打印机和3D照相则属于中 低端发展形式。3D打印产业需突破发展瓶颈3D打印产业正在成为新的投资热点和新的经济增长点，然而，其面临的发展瓶颈和问题不容忽视。在“2013 世界3D打印技术产业大会”上，全国政协经济委员会副主任、原工信部部长李毅中表示，要进一步扩大3D打印的应用空间，仍然面临着许多方面的瓶颈和挑战。 从总体看，3D打印行业还处于成长阶段，有些技术还有待突破，从技术成熟到适应市场并广泛应用还需要一定的时间

29、。目前重要的是要致力于加强创新研发，开拓 产业化、商业化路径，做好典型示范，防止在技术尚未充分完善的时候就大规模地扩张产能，否则可能会存在风险。第十一届全国政协副主席张梅 颖说，从国际国内3D打印行业的现状来看，“小而散”是行业普遍现象。国内从事3D打印技术的科研单位和企业总数不过二三十家，全球也不到100 家，2012年全球3D打印技术行业实现的产值不足30亿美金。最大的3D打印企业产值也不足5亿美金。从中不难看出，3D打印技术目前的规模在整个制造 业领域来看，无论国际、国内还都非常小。当前，3D打印技术最大的难题是市场运用。3D打印技术只有在产业化过程中得到广泛运用，才能进一步成熟和完善。

30、张 梅颖还提出了一个未雨绸缪的观点，对于一项新兴技术的培育仅凭热情远远不够，要客观地科学规划布局，避免在发展初期一哄而上，形成恶性竞争，防止3D打印 技术重蹈光伏行业的覆辙。据记者了解，武汉、成都、重庆、长沙、东莞、青岛等地正在建设或筹建3D打印产业园。深圳市光华伟业实业公司董 事长杨义浒表示，耗材是阻碍3D打印技术发展的主要瓶颈之一。问题主要在于3D打印可适应材料成熟性不够，材料的功能性已经跟不上3D打印技术的发展；材 料在打印时的流程性和固化成形性的矛盾；快速冷却定型与熔融结合强度的矛盾；材料变形与尺寸稳定性的问题；材料对人体的安全性及环境的友好性问题等。尽管在实现小批量、个性化定制生产方面，3D打印具有优势，但在大规模商用、民用方面，条件尚不成熟。在 北京科博会展馆内，在一家3D照相馆的展台前看到其推出五种尺寸的3D照相产品均价格不菲，大型的和超大型的价格分别为2900元、3500元， 迷你版的价格相对便宜一点，价格为1500元，优惠价是1125元。工作人员告诉记者：“这种迷你版的只有10厘米高。”也就是说，消费者要想得到一个 10厘米高的3D打印“照片”(彩色立体人像)，要花费1000多元。由此看来，3D照相目前仍然算作高端消费，只能是一些收入较高的人群体验新奇产品的小众消费，距离大众化的应用尚需时日。