3d打印技术范文

导语：如何才能写好一篇3d打印技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

原本以为打印只可能印在纸张等平面上的，又何来3d打印之说呢?其实，3D打印机跟传统打印机―样，是一种连接电脑并把电脑中信息输出的设备(其工作方式与喷墨打印机也有些许相似)；最大的不同是，3D打印机输出的是真实的物体模型。因此，人们形象地将其称为“3D打印”。

3D打印对于普通商务用户来说用处不大，但在工业设计或3D模型设计等特殊领域都能够发挥极大的作用。我们知道，一款产品从设计到投产之前会多次修改，而阶段性的设计成果通常会被制成模型来确定效果。这时，再好的设计图纸也不如一个真实的成品模型更有说服力。可惜的是，传统的模型制作方法成本高昂、耗时耗力且精度不高，因此快速成型技术成为设计行业的迫切需要。3D打印则是其中极具发展潜力的快速成型技术之一。现在，让我们从3D打印的发展说起，逐渐了解这一方兴未艾的新技术，并设想它会给我们带来什么样的变化吧。

“快速成型”的迅猛发展催生“3D打印”

虽然在多数人看来3D打印还是一个新生事物，其实在二十年前3D打印设想已开始酝酿。

设计领域许多人都知道3D CAD(3D计算机辅助设计)。从70年代诞生到现在，3D CAD经历了几十年的发展，已经成为广大设计人员的有力工具之一和很多设计领域的重要标准。而快速成型(RapidPrototyping，简称RP)技术几乎与3D CAD的发展同步。换言之，前者其实就是后者发展的写照，因为人们从使用3D CAD的那天起就希望方便地将设计“转化”为实物。

快速成型技术是一种由CAD数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。

RP在多年的发展中形成了多种流派，如SL(Stereo Lithography，立体光造型)、SLS(Selected Laser Sintering，选择性激光烧结)、3DP(Three Dimensional Printing，三维打印)及FDM(Fused DepositionModeling，熔融沉积制造)等。前两种是基于激光或其它光源的成型技术，设备造价和制作模型成本都比较高昂，因此只在一些特殊领域有所应用；而3DP~FDM则是基于原料喷射成型的技术，不需要昂贵的激光器，成本低了不少，因此成为RP行业中“最亲民”的技术，近几年大有普及之势(由于都有近似喷墨打印机的工作方式，因此人们将它们称为“3D打印机”)。下面我们就与3D打印机来一个近距离接触。

好用不贵的3D打印

之前，3D打印离我们还很遥远，主要是受到以下三个因素影响：

成本太高，这是阻碍3D打印普及的最主要因素

太慢的3D打印速度

较低的打印精度

现在，这样的局面即将被打破――基于快速成型技术的3D打印有了长足进步，早先只有某些行业用户用得起的3D打印机越来越多地出现在各种民用领域中。那么，3D打印机到底是如何实现的呢?

3D打印机是这样工作的

传统的加工手法与雕塑相似，通常是一整块材料按照设计去除无用的部分，剩下的才是精华。而3D打印机采用分层加工、叠加成形方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。从这点来看，它与喷墨打印机工作方法十分类似，3DP是一层层地印，而喷墨打印机是一条直线一条直线地喷，通过若干直线的叠加形成图像，因此“3D打印机”的称呼也就显得十分贴切了口当然原理相仿的3DP与FDM在实现细节上还是存在较大差别，最终导致了产品的性质和用途各不相同。

3DP

提到3DP，几乎就是美国z Corporation司的代称。早在1994年，几个来自MIT(麻省理工学院)的科研和技术专家就发明了3DP技术并申请了专利。1997年，为了将3DP技术推向市场，Z Corporation公司正式成立。从那时起，Z Corporation就一直占据着3D打印机市场的半壁江山。

3DP工艺的原理是先由储存桶送出一定量的原材料粉末，再用滚筒将粉末在加工平台上推成薄薄一层，接着打印头会喷出一种特殊胶水(黏着剂)，依照电脑模型切片后获得的二维切片形状黏着粉末并使其迅速固化。每喷完一层，加工平台就会自动下降―点，按照刚才的顺序做几次循环直到完成。这时只要扫除松散的外层粉末便可得到想要的实体模型。

这种技术的特点是成型速度快，制作成本低。它目前可以达到每小时25mm垂直高度的成型速度，每层厚度为0.089～0.203mm，最高分辨率600dpi。层厚度越薄分辨率越高，实体模型的精细度当然就越高。而且，它能够使用多种原材料(陶瓷颗粒都可以使用)可成型出具有软质PVC特性的模型。如果使用彩色原料，它甚至可以加工出24位彩色模型来。Z Corporadon的3D打印机也是目前唯一能够打印彩色零件的快速成型设备。但3DP工艺制作出来的模型强度不高，主要用于外观概念模型。

FDM

成立于1990年的美国Stratasys公司率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快了基于FDM的Dimension系列3D打印机。由于’FDM技术有其得天独厚的优势。适合汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用，因此Stratasys的FDM快速成型机目前在全球RP市场已占有近半的比例。那么，FDM的优势何在呢?看完下文你就会对它有一个简单的认识。基于FDM的3D打印机是这样工作的

CAD生成的模型数据先导入3D打印机的控制软件，再经其处理自动生成支撑材料和加热喷头运动路径。这时，加热喷头会在计算机的控制下根据产品零件的截面轮廓信息作平面运动，而热塑性丝状材料由供丝机构送至加热喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出来涂覆在相应工作平台上。待到快速冷却后平台上就会形成一层约0.1mm厚的薄片轮廓。这仅仅是完成了一层截面成型，接着工作台会下降一定高度再进行下一层的熔覆，通过周而复始地多层堆迭来形成三维实体。

这样工作是不是看起来很慢?好在Stratasys公司的FDM打印机可以采用两个喷头同时造型，所以制作速度得到了大大提高。而且FDM工艺完成的模型“很干净”――不会有产生毒气和化学污染的危险，使它可以安全地运用于办公环境。

FDM可以采用ABS(由丙烯腈、丁二 烯和苯乙烯三种化学单体合成)或PC(聚碳酸酯)等材料进行制作。目前，FDM工艺在汽车、机械制造等行业中应用最为广泛，其主要原因在于FDM是唯一运用工程材料快速成型的模型工艺。

主流3D打印机

在目前的3 D打印机行业中，ZCorporation和Stratasys两家公司的产品占有绝大多数市场份额。

Z corporation的产品主要有ZPrinter310 Plus、ZPrinter 450和SpectrumZ510三种。除第一款为黑白打印机以外，其它两款都具有彩色打印功能。而且Z Corporation的3D打印机能使用多种原材料，无需支撑结构，但需要做浸洗等后期处理。

Dimension系列3D打印机是美国STRTASY公司的产品，分别是BST768、BST1200、SST768、SST1200以及Hite(Elite为该系列最新机型，精度最高，可以实现0.127mm层厚)。其中BST采用了剥离式技术，即手动剥离成型后的支撑材料；而SST和Elite为水溶式技术，即模型上的支撑材料可用专门的溶液溶解掉，非常适合成型复杂模型。五款机型除了成型精度、成型尺寸圾支撑材料去除方式不同，其它性能基本相同。

3D打印在中国

我国XCRP技术也同样有十分强烈的需求。自90年代初国内就有多所高校开始自主知识产权的RP技术研发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM分层实体制造、FDM工艺，并开展了基于SL工艺金属模具的研究；华中科技大学研究LOM(分层实体制造)工艺，推出了HRP系列成型机和成型材料，西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.2mm。

但是相比RP技术领先的美国、日本等国家，国内还没有一款达到国际水平的3D打印机推向市场，只有部分有实力的企业和科研院到专业的RP或3D打印服务商那里租用3D打印机或者订制模型。国内RP技术在研究队伍、资金投入和普及范围等多方面还有很长的路要走。比较而言，港台地区RP技术应用更为广泛。港台地区相比内地RP技术起步较早――很多高校、企业都有自己的3D打印设备。只不过，港台地区RP技术的重点是应用与推广而并非自主研发。

3D打印的将来：另一场制造业革命?

现在我们已经发现，要想3D打印全面普及，成本、打印精度、速度和原材料的多样性等等都是现在的3D打印机必须不断完善的项目。

第一，成本方面，在不久的将来3D打印机的价格会有大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出―万美元以下的3D打印机，例如Desktop Factory的4995美元打印机。还有一些爱好者从2006年开始也在研制“开源”的3D打印机。他们的目的是希望大家都来参与改良3D打印机，并最终促成低价3D打印机的诞生和普及。第二，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、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等。当然还有金属材料，直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。第三，提高3D打印的速度和效率。开拓并行、多材料制造的工艺方法，以便能够直接面向产品制造。改善3D打印系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。除此之外，还有许多新的成型方法与工艺会在未来应用于3D打印机中。

在未来，3D打印机有可能走进千家万户。有了它，你可以做许多现在看起来匪夷所思的事情，因为从某种角度来说，许多你想到的东西都能直接打印得到。

3D打印机将使工业设计人员可以随时制作设计品的高度仿真模型，交给生产部门或用户，然后根据反馈意见进行进一步修改。家居装饰公司可以根据设计图纸呈现数个逼真、缩小的新家模型供你挑选。整形医师采用特殊材料订制整形所用的不同形状的人造骨骼。这一切用3D打印机只需要很短时间就能完成。

篇2

如今网络变得非常开放，已成为获取信息的主要途径，电视机、广播和纸媒等传统媒体在其面前都黯然失色。任何只要被人们接触到的信息立刻会被高度传扬出去。

“解放者”是首支利用3D打印技术被广泛制作的手枪。该型号手枪仅需使用商业3D打印机便可制造完成。制造说明由网络卫士/无政府主义者制作，步骤非常详细，甚至涵盖了加入一片金属的步骤，以避免触犯美国的《不可探测武器法》（Undetectable Firearms Act of 1988）。无数个测试已经证实，在装配得当的情况下该武器可以发射至少一颗点38口径的子弹。

无须置疑3D打印机的能力，未来只要能用CAD软件画出的东西都可以用3D打印机制作。这种技术的潜力不可估计，同样破坏性的潜力几乎遍布了每个行业。从医学领域到制造业，在增强消费者制造能力的同时也必将颠覆许多正常的自然规律。

然而，去除获得致命武器过程中的阻力有可能会使这些功能性的手枪落在一些容易冲动的人手中。有多少次你已经达到了愤怒的状态？那种愤怒是你觉得什么对你而言都没有任何意义，你感觉几乎要开始杀戮了。当杀人的想法占据着内心，而你无法将自己的怒火平息在可控范围内时，你可能不应该拥有枪支。

在美国有许多关于严格控制枪支立法的讨论，现在集中在禁止有犯罪记录和精神疾病的人拥有枪支。但是应该如何对待那些平时很理性，但可能被愤怒逼得有杀人倾向的人呢？难道禁止获得即兴购买枪支的规定不是一个避免冲动想法伤害到其他人甚至引发恶性犯罪的有效途径吗？如果按一个按钮、组装几个零部件就能够将致命的激动情绪转化为实实在在的犯罪行为而引发更多的犯罪情绪呢？美国国务院似乎计划将制作“解放者”的链接从网络上移除。

在南非，3D打印已经被用于为小孩制作用于替换的手部。甚至美国国家航空航天局（NASA）也已经承认了它的潜力，并且计划制造一个零重力3D打印机，这部机器计划在明年的某个时间带入国际空间站。

伊恩·马尔科姆博士表示，这种技术尚处于萌芽阶段。信息自由的倡导者和枪支倡导者都主张保卫“解放者”设计图在网上的流通，这就像是一场有关互联网自由的战争，他们主张所有的信息不应该被审查，每个人都能够轻易获得。但是我们现在所讨论的不是关闭非法提供下载资料的网站服务器，而是在谈论生命和死亡。枪支只为一个理由存在—射击。

有些人指出可以用3D打印机的高价格来限制业余枪支贩卖者的数量，但是如果有利可图的话，多么高昂的价格也不再是障碍。高额的原材料成本和设备成本并没有阻止工厂的存在。仅仅是因为要拥有自由的权利就去支持制造致命的武器吗？我不确定，但就个人而言，我希望能够完善3D打印技术，将其应用于制造可替换的心脏瓣膜或是为发展中国家生产水净化设备，而不是用于杀人。

篇3

一、3D打印技术创新取得新突破

在生物打印领域，西安交通大学开展的3D打印个性化人工假体制造研究与应用获得标志性进展，科研成果《个性化颅颔面骨替代物设计制造技术及应用》通过国家技术发明二等奖初评。西北工业大学研发的常温直接成形生物陶瓷术前诊断模型、全骨支架模型等已经在北医三院、第四军医大学临床应用。

在非金属打印领域，西安交通大学创新陶瓷材料3D打印成形工艺，实现了大型燃气轮机空心涡轮叶片等复杂结构陶瓷零件的快速制造；开发了高温熔丝成形3D打印设备，可以有效打印纤维增强树脂基复合材料、尼龙、聚醚醚酮等耐高温材料制品；研发了大尺寸的烧结成形工艺及样机，可以形成多种非金属材料粉末烧结设备。

在金属打印领域，西北工业大学研制出达到世界先进水平的个性化金属液滴微喷头、压电脉冲微喷头及5轴联动金属微滴打印设备，实现了碳纳米管浆料微滴的按需打印、直径小于0.1mm的铝均匀微滴可控喷射与打印，可快速制备超级微电容器、微电源、碳纳米管晶体管以及微小复杂波导件、散热件、嵌入式智能器件。西安光机所突破了可变焦的3D打印熔覆头关键技术，研制出可用于成形中小型钛（钢）合金零件的同轴送粉式金属3D打印机，可使打印效率提高3―5倍。西北有色金属研究院成功开发了国内首台商业化的粉床电子束3D打印设备和新一代等离子旋转电极雾化制粉设备。

二、3D打印产业化态势喜人

一是龙头企业发展迅猛。截至2014年第三季度，西安铂力特激光成形技术有限公司拥有相关发明专利达到35项，销售收入已达1.02亿元，全年销售收入预期可达1.5亿元、利润3000多万元，同比增长552%，成为目前国内规模最大、技术实力最雄厚的金属增材制造综合服务商，并一举夺得第三届中国创新创业大赛先进制造行业总决赛冠军。陕西恒通智能机器有限公司进入渭南高新区开展产业化生产，实现了3种机型的研发与上市，实现销售收入6000多万元。

二是产业基地建设进展顺利。渭南高新区建成了全国第一家占地460亩的3D打印产业培育基地、全国第一个2.3万平米的3D打印创新创业孵化器、全国第一只总规模2.5亿元的3D打印创投基金，吸引了省内外20多家相关企业和项目入驻，3D打印产业化推进格局初步形成。西安高新区规划占地1000亩的3D打印产业园加快建设，园区主要路网的水、电、气、道路施工已完成过半，首批700亩产业用地已逐步到位，一期2万平米的孵化器、4.6万平米的标准工业中试厂房已具备开工条件，已吸引10多个企业和项目入驻。

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关键词：产品设计 3D打印技术 增材制造技术

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）10-0082-02

工业和信息化部、国家发改委、财政部印发《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，提出到2016年，初步建立较为完善的增材制造（又称“3D打印”）产业体系。来自全球领先的移动互联网第三方数据挖掘和整合营销机构iiMedia Research（艾媒咨询）近日了《2015中国3D打印市场研究报告》3D打印技术席卷各行业领域，主要包括产品设计、医疗、教育、航天、考古、建筑和军事等领域，3D打印技术将从实验室逐步走向市场应用，而随着技术的成熟，3D打印将会应用在更多领域，改变着人们的生产生活方式。

1 3D打印技术的研发与应用

1.1 3D打印技术

3D打印技术又称之为增材制造技术，是快速成型技术（RapidPrototyping Manufacturing）的一种，是以经过智能处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合性材料，通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂物体的技术。3D打印是通过一层层堆积的方式，运用“加法”的加工工艺来构建形体，而传统的切、削、车、铣、磨等是运用“减法”的加工工艺。3D打印的出现打破了传统制作模型依赖模型工依据图纸制作每个零部件，然后组装验证的复杂、漫长过程，3D打印技术解决了传统加工工艺“伸不进、够不着”以及不能加工任意复杂的中空形体的难题。

1.2 3D打印技术的工作原理

3D打印是以三维数字模型为基础，通过材料层层叠加的方式形成三维实体模型。3D打印机在三维数字模型文件指令的引导下，打印喷头根据模型每层的横截面的路径轨迹，喷出固体粉末或熔融的液态材料形成一个X、Y轴的二维薄层面，第一层固化后，喷头再次返回，在第一层的基础上叠加出第二层，如此往复，最终通过N层的薄层累积形成三维实体模型。

3D打印技术的学名为“增材制造技术”，又称“产品快速成型技术”是对3D打印机的工作原理做出的直白解释。“增材”是指3D打印通过原材料沉积或黏合为材料层以构建成三维实体的打印方法，“制造”是指3D打印机通过某些壳测量、可重复、系统性的过程制造材料层。

1.3 3D打印的成型工艺

目前3D打印技术成型工艺中以SLA、SLS、FDM和3DP等发展得较为成熟。不同的工艺技术在所使用的材料和成型方式E有所不同，因此也都有各自的优缺点以及应该领域的不同。

世界上第一台3D打印机采用的就是SLA技术。

SLA全称为光固化立体成型（Stereo Iithography Appearance）。SLA的工作原理（见图1）：在容器里装有透明、有黏性的液态光敏树脂等材料，采用紫外激光束照射，按照数字模型转换的路径层面，使之快速固化、逐层成型。

SLS全称为选择性激光烧结（Selective Laser Sintering），该工艺属于粉末、丝状材料高能束烧结或熔化成型。SLS工作原理（见图2）：利用粉末材料在激光照射下烧结成型。首先铺粉辊筒在工作台上均匀地铺上一层粉末材料并刮平，然后模型文件的切片轨迹控制高强度的激光器，进行有选择地在该层截面上扫描，使固体粉末温度升至熔点，然后烧结形成黏结；其次，粉末完成一个层面的后，工作台下降一个层厚，铺粉系统在铺上新粉，激光束在进行扫描烧结，如此往复，层层叠加，直到形成3D物体。

FDM全称为：熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling），该工艺属于丝材基础热熔成型。FDM工作原理（见图3）：将丝状材料的热塑性材料通过导管送入喷头，在喷头内加热熔化，通过喷头下方的微细喷嘴挤压喷出，随后喷头沿着一系列的水平、垂直轨道构建一个层面的横截面和轮廓，第一层打印完成后，打印的喷头沿z轴会略微抬起，继续熔丝沉积下一个层面，直到打印出整个实体模型。

2 3D打印技术革新产品设计方法

近年来，3D打印技术由于其增材制造工艺的优势，越来越多地被用在产品设计研发的流程中。传统的产品设计建立在大规模生产方式上，然后又受限于规模经济的基本经济规律之中，所以导致设计师的许多创新理念束缚在制造技术、产品质量、消费价格以及企业的利润等问题上。

产品的大规模生产虽然具有生产效率高、生产成本低、自动化程度高的特点，却是以牺牲产品的多样性为代价，实质上已经不能再适应变化越来越快的市场需求和激烈的竞争。第一，大规模生产为了适应规模经济的规律，增加企业的利润，必须降低批量生产产品的价格，导致企业生产的产品必须出售大量相同的产品才可以从中获益，这意味着消费者个性化需求的特点在产品设计过程中难以实现；第二，大规模生产要依靠工厂和生产线，这就存在产品制造企业必须购买大规模的加工机器和配套场地，同时还必须雇用技术人员和工程师，从而可以保证产品设计能够成功地转为实际的产品；第三，进行批量生产的产品在制造的过程中会受到产品造型、结构、材料和机器设备等的制约。相比较传统的产品生产制造，手工制造不需要投资建厂，也不需要雇用熟练的设计师、技术人员和工程师，但是如果一个新的设计理念在制作成产品后被证实存在致命缺陷，那么这个产品基本上被认定为是失败品，手工制造者得承受材料上和时间上的浪费等，而且手工制造的缺点是不具备规模化生产。

随着经济的快速发展，大众对多元化、个性化和多形态产品需求已经成为现代消费的发展趋势，增材制造技术引领着批量制造模式向个性化制造模式的发展。相比较传统减材的生产方式，3D打印的增材制造工艺能够拓展设计人员的创新思维，使得设计师在产品初期的创造思维不受制约。设计师可以尽情地拓展想象空间，把在虚拟世界中创造“作品”带到现实生活中进行修改、完善和再创新，将设计图纸快速成型使之具象化。产品的多样化和个性化特征更加明显，可以使得消费者不再是被动地接受产品，而是根据消费者本身的个性以及实际需求对众多个性化产品进行挑选。

其次，通过3D打印出来的产品可以很好地作为设计交流媒介。产品虚拟概念模型通过3D打印机输出实物模型，便于设计团队中的每位成员以及客户直观体验，从而深入完善设计理念的表达，实现整个产品研发过程中的每个环节达到无缝对接的协同工作状态。

再者，3D打印在产品的研发过程中，可以缩短产品成型的周期以及降低研发的成本。设计中出现的缺陷，能够在早期阶段被析出并加以解决，最大限度地减少设计反复，缩短产品设计开发时间。缩短产品的研发周期，也就提高了产品市场转化的效率，增强了市场竞争力。同时，3D打印能够快速进行新产品进行测试，以便于适应不断变化的市场需求，从而可以帮助新产品降低推向市场的风险和成本。

最后，3D打印还可以推进体验经济的发展，体验经济可以让消费者获得新的技能，还可以让消费者在设计和制作过程中获得满足感。3D打印可以打破传统沉闷的用户体验，消费者可以恨据自己的需求，进行数字化三维建模或者获取开放的数字模型文件，使用3D打印机实现个性化产品需求。这种体验式产品开发模式，将打破设计师和消费者间的鸿沟，实现全民参与的“民主设计”新时代。所以将3D打印技术运用于产品设计中，可以改变原有的规模经济模式所带来的束缚，转变为设计众包的设计模式。

3 3D打印技术在产品设计中的应用展望

传统大规模机器生产具有高效优势，能够降低生产成本，但由于规模经济的制约，产品的多样性和定制性受到制约。相比较，手工制造虽然能轻松生产出个性化的产品，但满足不了规模化、批量化的需求。3D打印技术突破了以往制造中受众多因素限制，如：在产品的造型形态上、功能上、机器设备上以及材料上等方面，它可以将精准的数字技术、工厂的可重复性和工匠的设计自由结合在一起。

虽然3D打印已经快速渗透到人们的生活中，改变着人们的生活方式，但也带来了很多新的问题和挑战。第一，三维数字化模型是3D打印机输出的前提，三维设计软件是构建三维数字模型的方法之一。目前，众多的三维设计软件对大众而言，有一定的入门难度，往往依赖于专业的设计师，因此，三维软件的简易化、普及化是快速培养3D打印行业人才的重要因素之一。第二、优化3D打印硬件技术，降低3D打印成本。3D打印技术早在20世纪80年代就出现，中国物联网校企联盟将其称作“19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场”。虽然3D打印在近几年里得到了迅速发展，在不同行业发挥着重要的作用，但由于3D打印设备和使用成本上还处于比较昂贵的状态，所以发展和提高3D打印的技术，研发“平民化”3D打印设备，是普及3D打印技术的重要因素之一。第三，目前3D打印多数使用PLA、ABS、光敏树脂、尼龙等材料，而生物类材料和复合型类的材料都还在停留在实验室阶段。因此，要拓展3D打印的应用领域，要不断研发出新材料，形成多元化的3D打印材料。第四，3D打印的产品质量以及打印物品的版权纠纷等问题亟待解决。目前MakerBot公司的Thingiverse和Google的3D模型库都提供3D模型的下载，用户只要登录网址选择适合的模型文件进行下载，然后交给3D打印机进行打印，便可以实现虚拟模型到实物模型的转变，如果下载打印模型的为制造商，那就可以利用3D打印机进行小批量生产和销售，或者使用打印出来的实物模型进行开模后并批量生产，就会出现所销售产品的版权等问题。

综观上述，3D打印时代的到来，既要看到3D打印技术的优点也要看到它的不足，在理性分析3D打印的优缺点的基础上，让3D打印技术更好地为产品设计研发服务。随着3D打印技术的发展，目前的3D打印技术的不足将会有所完善，三维打印技术打印出来的对象也将从外部的形状发展到内部结构，最后发展为可以打印对象的高级功能和行为等方面，不再停留在打印对象外在造型的复制，而是进一步满足其在外观、功能、情感等使用上的结合。未来3D打印技术也将通过网络平台实现客户与厂商的对接。如云平台，3D打印云平台的工作流程迎合时下点击消费速度与私人定制潮流，使消费者根据自己的审美需求通过3D打印云平台，实现定制化、个性化服务，轻松地让自己的想法变为现实。创客者或者企业只需要有一台3D打印机，通过网络数据库平台进行具体项目需求对接，完成线上客户需求和线下客户资源的进一步交流以及后期的制造需求，全球的需求供应链将被以零库存的小制造商或个人所取代。企业也可以通过网络平台来寻求小的供应链来达到缩短研发成本以及迅速检测所研发产品是否合理等问题。

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特约撰稿 支海波

近年来，随着网络化、数字化、数据库、云平台等信息化技术的发展，3D打印（增材制造）这一数字化智能制造技术在全球范围内得到了迅猛的发展，它将信息、材料、生物控制等技术融合渗透并集成应用，将对未来的制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响，目前，3D打印（增材制造）已在航空航天、生物医疗、消费电子产品、汽车、军工、装备制造、文化创意设计等域被大量应用。

工业革命的历史进程表明：技术进步是工业革命的源泉和驱动力，工业革命会引起整个社会的巨大变革。如同蒸汽机、自动化流水线引起的工业革命。3D打印（增材制造）是‘—项将要改变世界的技术’，已引起全球关注。美国《时代周刊》将3D打印（增材制造）列为‘美国十大增长最快的工业’，英国《经济学人》杂志认为它将‘与其他数字化生产模式一起，推动并实现第三次工业革命’。美国政府2012年提出振兴美国制造业计划中的首个启动项目就是3D打印（增材制造）。3D打印（增材制造）的发展象征着个性化制造模式的出现，人类将以新的方式合作进行生产制造，制造过程和管理模式也将发生深刻变革，现有制造业格局必将被打破，随着人们对3D打印技术的认识程度不断深入，技术瓶颈的逐步突破，其应用也会越来越广泛，新的工业革命也将伴随着技术创新悄然来临。

在新的工业革命的大背景以及南京战略新兴产业转型升级的需求背景下，南京紫金（江宁）科技创业特别社区在江苏省、南京市和江宁区各级政府的大力支持下，联合西安交通大学，西北工业大学、上海交通大学、航空625所，中国航天科技集团、中国航天科工集团等一批高校和科研院所，大型企业，以国内3D打印技术学科带头人、中国工程院院士卢秉恒教授为总牵头人，以西北工业大学长江学者黄卫东教授、西安交通大学长江学者李豫尘教授、清华大学孙伟教授、上海交通大学王成焘教授等国内3D打印行业知名专家为技术核心，以南京紫金（江宁）科技创业特别社区的设施资源、专项扶持政策资源等为基础，汇聚社会各方资源，成立了国内最高水平、人才最集聚的“南京增材制造(3D打印)研究院”，同时汇聚了-批3D打印领域的企业，南京紫金（江宁）科技创业特别社区旨在以研究院为行业发展推动的引擎，参照‘德国弗劳恩霍夫应用技术研究院。模式运作，官、产，学、研相结合，集’科技创新、技术服务、产业孵化、人才培养。四位于一体，以市场需求为导向，以提升国家制造业尤其是提升南京市的制造业的核心竞争力为根本目标，汇聚吸纳国内外最优秀创新人才，积极开展“3D打印技术、装备及应用”的科学研究并进行相关产业化毖栩院，力争将南京紫金（江宁）科技创业特别社区建设成为中国3D打印（增材制造）领域最强的研究基地，打造国内比较完整的3D打印（增材制造）产业链，成为中国3D打印（增材制造）技术创新的摇篮、研究成果产业转化的平台，国内最具水平的独特的3D打印（增材制造）技术孵化器、国内最完整的产业化示范基地以及高质量的3D打印（增材制造）人才培训基地。

《改革与开放》杂志作为一家立足南京，面向江苏，影B向全国的杂志，在新的产业革命和技术进步的浪潮中，紧紧围绕为地方经济发展、产业转型升级、企业技术进步的主导方向，结合南京市的实际情况，特别推出本期‘发展3D打印技术助推产业转型升级’专题策划，目的就是希望能将符合南京市地方经济发展、产业转型升级需要的新兴技术进行宣传，为南京市的政府部门抉策、企业的发展做一些微薄的贡献。

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关键词：3D打印技术数字模型现状发展趋势

中图分类号：TP391.73

1986年，美国科学家查克赫尔开发了第一台商业3D印刷机，此为3D打印技术诞生的标志。但直到20世纪90年代才被关注，应用也主要局限在制造业、航空业等领域，那时叫“快速成型”技术。直到2010年11月，世界上的第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世，3D打印才引起广泛关注。目前全球已有不少公司推出了个人3D打印机，它已在日常生活中开始普及。传统制造技术可谓是“减材制造技术”，而3D打印则是“增材制造技术”，它具有制造成本低、生产周期短等明显优势。因此，3D打印技术将与其他数字化模式一起，推动第三次工业革命的进一步发展。

一、3D打印技术简介

3D打印是快速成型技术的一种，它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。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。3D打印机是这一技术应用的核心设备。它与普通打印工作原理基本相同，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”一层一层地叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

目前，3D打印技术常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。它被逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝制作、工业设计、艺术创作、航空航天和地理信息系统等领域都有所应用。除此以外，在医疗产业、建筑设计、服装设计等领域，这一技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。如2010年澳大利亚Invetech公司和美国Organovo公司合作，尝试以活体细胞为“墨水”打印人体的组织和器官，是医学领域具有重大意义的创新。

二、3D打印所需的关键技术

3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下几个方面：

首先，在信息技术方面，要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动识别出打印的几道工序，以方便自动控制打印器材的走向。

其次，在精密机械方面，3D打印以“每层的叠加”为工作方式，因此，要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求，以确保叠加后的效果能符合人们的预期。

再次，在材料科学方面，用于3D打印的原材料比较特殊，要求必须能够液态化、粉末化和丝化，在打印完成后又能重新结合起来，这一过程对于原材料具有合格的物理和化学性质方面提出了比较高的要求。

三、我国3D打印技术的发展现状

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，并取得了一些关键性的突破。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能，有望率先应用于航天、航空设备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键技术支撑。而高校在技术研发过程中，通过专利授予和技术入股等方式成立公司，加快了3D打印技术成果的产业化。目前，国内涌现出数十家3D打印制造设备与服务企业，已初步形成小规模的产业市场。3D打印产业正成为投资热点。不少原来从事数字化技术、材料技术、精密机械技术的企业纷纷考虑投资开发3D打印设备生产和服务。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D打印设备拥有国。

当然，目前我国3D打印产业尚处于起步阶段，存在一些影响3D打印产业快速发展的问题。首先是缺乏宏观规划和引导。3D打印技术涉及的各大领域，也属于新能源新技术的研发行列中年，但在我国工业转型升级、发展智能制造业、进入创新型国家的相关规划中，对3D打印这一交叉学科的技术总体规划与重视不够。其次，企业对技术研发投入显得不足。我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多具体环节，存在缺陷，难以完全满足制造的需求。

四、3D打印技术未来的发展趋势

3D打印技术将淘汰传统生产线，缩短制作周期，大大减少生产废料，所需原材料用量即将减少到原来的三分之一甚至更少。这一技术在节约成本，提高制作精密度的基础上，还弥补了传统制造的诸多不足。它将在民用市场迅速推广，开启制造业的新的历史开端，并同时为印刷工业带来机遇。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的材料技术、控制技术和信息技术等不断被广泛应用在制造I领域，3D打印技术也将被推动式地发展。将来，3D打印技术的发展将体现出通用化、智能化和精密化等主要的趋势。3D打印技术的速度和尺寸在不断提高，其技术在不断优化，应用领域在不断扩展，特别在图形艺术领域，三维模型能够更好地将制作者的想法意图表达出来。一张图可以胜于成百上千个文字的描述。专业人士坚信，个性化或定制化的3D打印可以将一个所想象的三维模型很快呈现在眼前，能够以最快的速度对现有产品进行改进，增长的幅度将超出人们的想象。总之，3D打印技术将会极大地改变社会各种应用的未来！

参考文献：

1.刘欣灵.3D打印机及其工作原理[J].网络与信息，2012，（2）.

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关键词：3D打印；技术；科技哲学

科学技术哲学是关于科学技术的哲学理论，是对科学技术的历史成果和科学技术活动的哲学反思。长期以来，由于历史与现实的诸多原因，我们对于技术的发展更多关注的是“其然”，而不是“其所以然”。目前，新一轮工业革命正在酝酿之中，其中一些先进国家非常具有代表性的做法，比如德国工业4.0、美国工业互联网、日本工业4.1J。为了可以在新的一轮工业革命中占得先机，我国也制定了“中国制造2025”战略，加强统筹规划和宏观部署，以智能制造为重点、发展高端制造，拟通过10年的努力，使中国进入世界制造强国，提升我国对美、欧、日等先进工业国家的战略竞争力。实现数字化智能制造的关键技术有人工智能、智能机器人、3D打印技术等，在新一轮工业革命中，3D打印必然将迎来自己的蓬勃发展期，迫切需要从哲学层面思考和回答大量的“所以然”问题。

一、3D打印技术的本质

在科技哲学视野下研究3D打印技术，其技术本质是我们必须要探讨的最基本问题。“质”是某一事物区别于其他事物的内在规定性。“本质是决定物质体系发展的主要特征和趋向的一些深刻联系、关系以及内在规律的总和。”所以，只有真正理解3D打印技术本质，才能确切理解3D打印技术与人，技术与世界的本源关系，才能真正了解3D技术。

对于技术的本质，我们很难用一句话概括出来。马克思、恩格斯始终从普遍联系、辨证发展的原理考察技术，把技术与生产密切结合起来，从生产力和它们之间的相互关系两方面论述了技术的本质。马克思认为，“技术是人的本质力量的对象化的产物。它是人类征服自然和改造自然的劳动手段，是一种生产力。”技术作为一种潜在的生产力，不仅使劳动工具和设备得以改进，扩大了劳动对象，而且还提高了劳动者素质，提升了劳动生产率。从3D打印技术的产生与发展来看，3D打印技术起步于20世纪80年代末，早些年该技术主要应用于专业化的工业设计与生产。随着现代科技的不断发展变更，其应用领域得到不断的扩展与深化，直到上世纪90年代中期，3D打印技术开始逐渐进入大众的视野。

事实上，3D打印技术是一种利用三维模型数据，通过材料的逐层累加，将数字化电脑模型变成固态物体的一系列技术，可以大幅降低工装模具需求，减少材料消耗，缩短制造时间，还可以成形常规方法无法实现的新颖零件和复杂结构。由此可见，3D打印技术的发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。当今，越来越多的产品可以不断被3D打印技术出来，背后隐藏着诸多社会规律、经济规律和自然规律。从这个角度上看，3D打印技术的应用发展将会拓展人类视野，会是人类新的生产力性质和水平的标志。

综上，3D打印技术是合目的性的自然物质运动规律发展的产物，是主体要素和客体要素的统一，同时技术本身也经历了一个从潜在形态到现实形态的发展过程，体现了现代社会生产力性质和水平，完全符合技术的基本属性。

二、3D打印技术发展的根本动因

一般来说，制造技术的创新主要由材料、工艺装备、软件等基础技术的进步而推动。近年来，智能设备、高性能计算、大数据等技术的发展进一步推动了制造业向精益化、智能化、柔性化、敏捷化的方向创新发展，在多个领域掀起了制造模式的变革。一直以来，先进装备的发展对制造技术影响最广泛的四个特征就是：系统结构日益复杂、先进材料日益增加、研制周期日益紧迫、成本要求日益严格。由于传统技术无法解决新的挑战，因而制造技术创新的原则非常明确，那就是在制造的三个核心环节――成形、加工、装配――中植入能够改变现有模式的新方法、新手段、新设备，形成突破传统的创新技术领域，为先进装备创新的实现提供保障。目前，这些新的领域主要包括3D打印技术、复合材料非热压罐成形技术、自适应加工技术、自主化装配技术、智能人工增强技术。在过去的20年中，3D打印的技术创新可以称之为利用最少量的因素影响整个经济体系，继而成为全球化体系的。在这个过程中，现实需求是技术发展的前提与基础。一旦有了需求，技术能否发展以及如何发展，则取决于技术自身的发展状态，即技术能否满足当前及未来一个时期的现实需求。因此，可以说技术创新发展驱动的根本原因就在于事物自身内部的矛盾性。

（一）设计自由度与制造可行性之间的矛盾

高性能产品的结构越来越复杂，个性化、新颖设计的自由度越来越高，传统减法式的制造工艺难以实现这些设计，对于设计与制造的要求也越来越高，拓扑优化、薄壁轻质结构、复杂的三维形状、革命性的微结构、功能梯度材料结构等复杂的设计和制造问题都对传统制造方法提出了新的要求。以拓扑优化技术与3D打印技术联合，实现在结构形成过程中植入传感器和布线，或者接合部件以节省时间和金钱、减少节点或者其他可能导致失效的接头数目。为节约材料，自然界与工程界大量采用轻质薄壁的结构形式，作为发生冲击碰撞等突发事件时的缓冲吸能结构。同一产品由于服役环境不同，对于自身材料提出新的要求，可以沿某一维度呈现功能梯度变化，使材料的物理、化学和力学性能在空间上具有相应梯度变化。上述的种种设计和制造问题，都是新时期产品发展过程中所必须面临和解决的新问题，与之相应的就是要求出现新的技术来解决这种矛盾。任何一N技术的发展与使用都是与其时代特征匹配，正是这种矛盾的冲突推动了新技术的创新发展。

（二）研制周期与市场先机之间的矛盾

借助CAD软件的数字化建模功能，3D打印技术可以直接将数字化模型利用3D打印机，制造出三维的部组件，极大缩短了研制周期，同时，这种数字化文档还可以借助网络传递，实现异地制造，快速占领有潜力市场。3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，无需工装模具，整体一次成型，直接制造更快速、更高效，设计生产周期往往可以提升一倍，复杂、个性化产品研制周期漫长，在技术趋同的形势下可以更快抢占市场先机。着眼于历史的发展，正是由于技术的从简单到复杂，从低效到高能，从单一到体系的发展，从而推动了整个制造业的不断发展、日臻完善。

（三）经济性盈亏的矛盾

结构设计中，3D打印技术可以优化产品设计，提升复杂结构设计的完整性，同时还可以根据设计需要，快速制作模型，检验是否满足用户需求，避免重大设计更改和技术状态变更；在制造过程中，不仅可以提高制造环节材料使用率，大幅缩短研制周期，降低生产成本。无论设计还是制造环节，材料利用率、研制周期、生产成本几个要素平衡发展，都是制造业始终追求的目标之一。传统制造业可能在某一要素上可能具有相当大的经济优势，但就综合集成来讲，3D打印技术还是具有其显著经济特征的。

三、3D打印技术发展的条件

技术的产生和发展一般都是在一定条件下发生的，大体应该包含物质条件、知识条件和人的条件，某种角度上说，这三方面因素缺一不可，3D打印技术概莫能外。现代3D打印发展这几十年，正是基于这些主客观条件，呈现出有目的性的发展态势，同时也关系到了技术的发展趋势和发展速度。

3D打印技术已经存在了几十年，为什么迸发期没有在过去，而是在现在发生？首先，3D打印技术不得不等待计算机处理能力、存储和网络基础设施的改善，现在几乎任何人都可以制造、交换和使用3D打印的物品，但在20世纪80年代末和90年代初，当第一代3D打印机在市场上面世的时候，用于3D打印模型设计的个人计算机工作站造价十分昂贵，而且在互联网上交互大量数据的想法也不现实。然后到了今天，许多智能手机和平板电脑都足够强大到能够设计和存储复杂3D模型。高速互联网已经成为现实，意味着在线存储和交流3D模型不再是技术上的挑战。第二，2D打印的世界先进技术同样帮助建立了3D打印革命的基础。虽然3D打印不是以2D打印机为原型，但大部分还是类似于伺服电动机和送料机制――激光、喷墨打印头和电子控制器，硬件发展在过去20年里成为支持3D打印革命的必要条件。第三，3D打印的发展同样需要等待自身的发展以及知识的储备。一些低成本的3D打印机硬件要依靠那些使用早期3D打印机的爱好者通过创新模型的努力来完成。从某种意义上讲，从最基本的3D打印技术发展到后来确实花了些时间，这些都是知识积累的过程。第四，促进3D打印技术发展的原因是人类社会发展的数字化。十几年前，人类上网很少，拥有数字通讯和数码设备都很少，与之形成鲜明对比的是如今数十亿人在使用互联网，并且拥有数字音乐、照片和视频，现在使用3D打印机在线数字资料制作成物理模型的热情比3D打印机刚被发明出来时要高涨的多。第五，20世纪80年代末90年代初所申请的3D打印技术方面的一些专利已经或即将到期，因此现在那些阻碍3D打印的法律障碍已经越来越少了。

四、3D打印技术发展的普遍规律

唯物辩证法认为，事物发展是有规律的，规律是可以认识的，认识对于实践具有能动作用。

（一）需要可能律，技术发展的外部条件

唯物辩证法关于“现实与可能”关系论述的具体运用，揭示了装备发展与其外部条件之间的客观联系，即需求牵引、技术推动、经济支撑。3D打印技术在短短十余年取得举世瞩目的重大发展，在医疗健康、汽车工业、国防军事、房屋建筑设计、其他消费品等领域有着傲人的成绩，在生物医药领域、医学牙科等领域的市场份额不断增长，同时在大众消费的食品加工、服装配饰、玩具制造等各领域也突飞猛进。

技术的发展需要其他技术的配合与支撑。3D打印技术对信息技术、计算机科学、精密机械以及材料科学有着极其重要的依赖作用。历史表明，技术发展重大突破的时候，总是产生于科学技术发展到一定水平，特别是出现了重大科学发现或技术发明之后。与此同时，先进技术的成长还需要投入庞大的人力、物力和财力予以支持。

（二）否定完善律，技术发展的内在动力

唯物辩证法“否定之否定规律”的具体运用，揭示了技术发展与其内部矛盾的客观联系，即技术自身的不断否定与完善是推动其发展的内在动力。如前所述，这种矛盾性表现为技术与现实需求之间的不完善，具体表现为复杂设计与制造的矛盾、敏捷高效制造的矛盾、以及绿色经济的矛盾，正是这些矛盾推动了3D打印技术的不断发展，使其由不完善变得较为完善，并趋于更加完善。当然，制造业新的需求也是发展变化的，旧的矛盾解决了，新的矛盾还会产生，如此循环往复，推动了事物螺旋式上升，使其进入了更高级的发展阶段。

（三）量变质变律，技术发展的演进规律

唯物辩证法“量变质变规律”的具体运用，揭示了装备发展演进的一般规律，即技术发展是渐进式发展与创新性变革的辩证统一。技术发展是量变与质变的互动过程，表现为渐进性发展与创新性变革交替进行。渐进性发展是一种革新，是对技术的逐步改善，是量变的积累；创新性变革是彻底的革命，是技术的质变。量变是质变的条件，质变是量变积累到一定程度的最终结果。

美欧发展3D打印技术已经跳出了制造本身，开始考虑颠覆当前产品设计以及改变传统设计和材料开发流程上来，随着增材制造在大型、复杂航空结构件上应用的技术成熟度和制造成熟度不断提升，3D打印将成为航空领域主流制造技术，将航空产品设计理念带向更具颠覆性的未来。

3D打印技术应该说是当前正在进行的第三次工业革命的重要组成部分，是当代计算机控制技术和新材料技术发展的“自然延伸”，鉴于其独特的性质和优点，这项先进制造技术的研发也应受到高度重视。但是未来还会遇到许多新问题、新困难，只要我们更加自觉地站在世界观与方法论的高度分析问题、认识问题。虽然不主张3D打印技术预示着新的工业革命的到恚但并不能因此忽视它的价值。随着人类认识的不断深入和技术的不断进步，3D打印技术必将更加成熟，应用领域更为广阔。

【参考文献】

[1]乔瑞金.技术哲学教程[M].北京：科学出版社，2006.

[2]胡迪利普森，梅尔芭库曼.3D打印从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.

[3]Christopher Barnatt.3D打印正在到来的工业革命[M].北京：人民邮电出版社，2014.

篇8

3D打印技术正在推动制造业的转型是无可争辩事实。日常工作涉及供应链流程管理的专家们一定会认同以下观点：3D打印技术已经改变了行业规则，并且有可能使得任何地方的任何人都具备制造产品和零部件的能力，只要他们拥有所需的计算机辅助设计（CAD）文档、一台 3D打印机以及打印耗材（通常是粉末状塑料、金属等材料）。

我们已经认识到 3D打印技术改变各行业业务性质的潜在能力，及其对企业和国家未来竞争力的可能影响。中国就是其中一个非常典型的例子。我们都知道，中国为了刺激和支持其 3D打印产业的发展，在南部城市长沙建立了一座产业园，目的就是要大力推动中国制造业和 3D打印技术的发展。该产业园区是中国首个 3D打印技术创新中心，其初步目标被设定为生产 100台 3D打印机，并计划至 2016年实现产量300台。武汉和珠海紧随其后，相继宣布成立类似的技术中心的计划。

亚太区其他国家也陆续开始着力发展这一新兴技术。其中，新加坡政府计划在未来 5年内投资 5亿美元，用来提高新加坡国内的制造业水平，重点发展 3D打印技术。日本政府同样宣布拨款 3，860万美元的经费，投入各类 3D打印项目。全球数据信息公司 HIS消息称，其中 80%的经费将用于研发能够生产工业用金属终端产品的 3D打印机。

经过数十年的发展，3D打印技术已演变成为一项切实可行且成本合理的技术，为制造业的革新铺平了道路，而制造业是亚洲很多国家和地区的经济发展引擎。那么，对我们而言，这一切意味着什么呢？什么才是 3D打印技术真正的价值所在呢？

利用 3D打印技术，实现智能创新

数字化是现代制造业的成功关键，而其概念已不再是创建数字图像那么简单，相反，企业应当以数字化作为实现创新的根本途径。企业可以充分利用这些通常具有颠覆性意义的蜕变技术来增强自己的创新能力，以便在当下复杂的产品和流程市场上继续生存下去。

3D打印技术在某些阶段所发挥的作用，如传统 PLM领域新产品研发流程中早期的创意构思和设计阶段，是变化最明显的地方。很多制造企业在创新流程初期就采用 3D打印技术，用以深入了解客户需求，为新产品研发构思创见。与传统制造和成型生产方式相比较，3D打印为高度定制化和为复杂设计减少成本提供了可能，降低了短期零件（short-run parts）和产品的间接生产成本。

对传统制造企业而言，产品的形状和模型越复杂，完成一项任务所需的成本越高、时间越长，因为其中涉及大量的模具和复杂的加工作业。但 3D打印技术的不同之处在于，它能消除这些要求，让用户可以轻松打印所需物件。虽然 3D打印通常围绕形状或模型展开，但企业完全可以利用其实现更智能的创新，通过创建模型，然后再将模型与一个或多个系统相连。这样一来，甚至在产品和流程实际建造完成之前，工程师和客户就可以查看其性能状况。而且通过评估性能数据，他们可以在实际进行“3D打印”之前，进行预测改进性能及任何潜在风险。用户识别出一项风险之后，可以轻松地进行改进，避免不必要的风险。然后，用户可以将从这些二次开发模型和仿真中获得的预测结果与更好的版本进行对比。与简单地制作模型并将之打印出来相比，以上流程可以确保实现更好的产品质量和可靠性。

任重道远

3D打印技术虽然好处多多、引人入胜，但有一个制造企业、律师以及政府部门才开始着手应对的棘手问题，即3D打印的知识产权（IP）问题。如果任何地方的任何人都可以利用 3D打印技术随心所欲地进行生产，那么企业、设计师及发明创作者该如何保护他们的知识产权呢？

版权或专利的目的是保护创造性工作，而对版权保护范围及必要资质的规定各个国家不尽相同。在一些地区，知识产权的侵权问题已经彰显，但现在似乎越来越多的突发案例与 3D打印技术有关。此项新技术的操作过程非常简单，只需轻轻一点，任何人都可以在未经授权的情况下，使用一份计算机文档或一个实际物体的 3D扫描件打印出一个物件或复制一个受知识产权保护的物品。与以往相比，现在复制操作已变得异常简单，但侵权问题的鉴别却异常困难。制造业当前所面临的问题，与音乐产业在MP3文档和互联网下载文档出现时所遇到的问题相似。

当前我们所面临的情况是：一方面我们承认权利并非虚设，但另一方面我们在如何实施权利以及如何通过新业务模型打造具有吸引力的、可以避免侵权行为的方法等方面也面临着严峻的挑战。与此同时，对潜在问题的认识对确保3D打印技术成为组织机构下一个伟大发明而非下一个重大负担有着极大的作用。

面向未来

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【关键词】产品设计 3D打印 应用 优势

近年来，3D打印技术已经成为一种潮流和热门话题，并在产品设计，特别是数字化产品模型制造领域的应用等方面发挥着越来越重要的作用。其是一种快速成形技术（rapid prototyping），以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，并通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印机是一种可以“打印”出真实的3D物体的设备，比如打印机器人、玩具车、各种模型，甚至是食物等。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金和橡胶类。

一、现状

（一）3D打印技术发展状况

3D打印关键技术主要掌握在美国、日本及欧洲一些国家（表1）。美国《2013沃勒斯报告》显示，2012年全球3D打印市场（包括产品和服务）约为22亿美元（约135亿元人民币），比2011年增长28.6%，预计至2017年，全国3D打印市场将达到60亿美元的规模。就全球3D打印机的安装量而言，美国比例最高约为38%，日本为9.7%，德国为9.4%，中国则为8.7%。

（二）3D打印国内研究现状

自上世纪90年代以来，国内高校相继开展了3D打印技术的自主研发。其中，清华大学与北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司合作，在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面建立了一定的科研优势。西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并与陕西恒通智能机器有限公司合作开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度高达0.2mm。武汉东湖高新区建立了“中国首个3D打印工业园”；中国科技大学自行研制8喷头组合喷射装置，该设备有望在微制造、光电器件领域得到推广应用。

二、在产品设计领域应用的优势

（一）3D打印拓展了设计人员的想象空间

在后工业时代，每个人都是设计师，传统的设计师不再依靠自己的力量独立设计，而是扮演设计组织者的角色，组织有效的设计平台。3D打印是由计算机通过三维软件进行模型建造，并以STL的文件格式传输至3D打印机，3D打印机识别到片层截面，并完成文件输出。截面是由多个三角形面来模拟所设计的物品的表面形态，三角形面越小，物体打印的越精细。此外，VRML、WRL也是经常被使用的输入文件格式。

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”。设计师对产品形态的创作将更加挥洒自如，这是传统产品设计、手板模型制作等流程难以企及的。

（二）3D打印缩短了产品设计到成型的周期

当前，消费者对新奇产品的需要和渴望远远大于过去，3D打印等数码技术可以帮助厂家应对消费者瞬息万变的口味，设计师可以通过互联网这个开源平台进行设计，注重利基产品的开发和生产，进入产品和经营的长尾时代。3D打印更适合一些小规模制造，尤其是高端定制产品，比如零部件制造。虽然当前打印制造材料仍然以塑料为主，但金属材料肯定会在未来被运用到3D打印中来。可以预见，该技术将会在未来得到越来越广泛的应用。

（三）3D打印节省产品设计研发的成本

市场需要产品以最快的速度更新换代，但新产品生产出来后，若没有销路，则得不偿失。开发一副模具要几十万，甚至几百万，而利用3D打印技术，可以把产品先开发出来，如果该产品符合技术要求和市场需求，再进行模具开发，并进行进一步批量生产。此外，3D打印技术和传统模具制造技术可以实现相互补充，而未来的制造领域中，3D打印机可完成30%的产品，而70%由模具制完成。

在产品设计方面，3D打印产品不需要昂贵的模具实现生产注塑，其所需的原材料和能源仅为传统方式的1/10，还降低了企业因开模不当造成的不必要损失和风险；3D打印可以制造曲面更复杂、造型更丰富的产品，可以为客户定制个性化产品，实现“即想即得”；3D打印产品也可以远程传输文件并异地打印，减少运输费用。3D打印的出现意义在于我们能够制造自己的产品供其他人进行消费，人们的设计创造才能被尽情释放，能够满足高层次的需要。

结语

长期来看，3D打印有着较广泛的发展前景。3D打印技术的发展将推动产品设计模式发生变革，加快信息时代以大规模协同分享替代工业时代以资本专用性为特征的生产方式。

3D打印机不再只是传统的专业的产品设计师制造产品手板模型的工具，而是大众都可以使用的桌面制造工具，追求个性的产品设计将在3D打印技术的应用下变成现实。产品的造型、结构将变得更有细节，产品设计的流程也将变为并行的过程，产品设计依托于互联网平台将更加开放，订单式将是设计制造企业发展的未来方向。此外，需要强调的是，寄希望于通过3D打印技术彻底改变传统工业生产方式是不现实的。

参考文献：

[1]蒋健科，李秋荣. 3D打印第三次工业革命的重大标志[J].新湘评论，2013（6）.

[2]刘红光，杨倩.国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析[J].情报杂志，2013（6）.

[3]王雪莹.3D打印技术及产业发展的前景预见[J].创新科技，2012（12）.

[4]张楠，李飞. 3D打印技术得发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计，2013（7）.

[5]3D打印在模具制造领域应用优势明显[J].机械，2013（8）.

[6]邵宇.3D技术的发展与产品设计民主化[J].工业设计，2013（3）.

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关键词：3D扫描;3D打印;定格动画;新变革

中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）12-00-02

0 引 言

3D扫描、3D打印 技术作为一种新兴技术，席卷全球，将成为全新的产业革命。随着3D扫描、3D 打印技术的成熟发展，其应用也渗透到工作、生活的各个领域，尤其融入动画艺术的重要分支之一――定格动画中，完善了定格动画，把现代科技和手工艺完美结合，产生了积极的创新性变革作用。

1 3D扫描、3D打印技术及其工作原理

1.1 3D扫描技术及其工作原理

3D扫描技术则是利用三维扫描仪，用来侦测并分析物体及环境的形状、构造与外观数据。采集的数据信息用于三维模型重塑计算，从而构建虚拟的数字模型（如图1）。而传统的扫描是扫描平面的对象，如照片、文本页面、照相底片等。

图1 3D扫描产品外观图

3D扫描技术的工作原理：通过激光器和镜头扫描对象，记录扫描对象切面的距离数据并组合成一个三维模型，并在终端设备中显示。

1.2 3D打印技术及其工作原理

3D打印技术也称“快速成形技术”， 是以数字模型为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将打印耗材，如金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成立体型，最终将数字三维模型打印成实物产品。

图2 3D打印产品外观图

3D打印技术的工作原理：根据需求选好打印材料，并将数字三维模型数据输入到3D打印机中，设备会按照模型数据以层层叠加的方式将模型打印成实物。3D打印机和2D打印机的区别在于多了一个维度，实现喷头与介质之间的移动。

2 3D扫描、3D打印技术与定格动画的结合

3D扫描技术是3D打印技术的一个衍生。因为一些无法构建的复杂物体模型，会导致3D打印受阻，也会占用大量的时间、耗费大量的精力。它通过将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字模型，通过软件编辑就能将复杂的模型简单构造出来。

定格动画（stop-motion Animation）与手绘动画、电脑动画共同构成了现代动画的三大门类。定格动画是通过逐格地拍摄动画师用模型定位的实体对象，一一副画面拍好后，再由动画师将对象稍作移动，拍下一个镜头，每次只拍摄一帧，使之连续放映，从而产生仿佛活了一般的镜头。手工技术往往要经过复杂的手工工序，通过不断的再加工，花费大量的时间才能制作完成。所以传统定格动画的周期相对较长，工序复杂，在空间的转换上显得力不从心。然而当3D扫描、3D打印技术与定格动画完美结合，就能弥补其劣势，突出其优势。在科技快速发展的今天，运用3D扫描、3D打印技术的精确性和方便性，借助功能强大的各类设备和软件，即可达到理想的效果。首先用3D扫描技术全方位扫描现实物体，获得物体或景物的三维模型、材质，同时捕捉物体的真实动态，再利用计算机软件加以变化、组合，改造现实世界中的物体，最后打印出符合情景的动画模型和场景。目前相对流行的三维软件设计的图形都可以导入打印设备进行打印，使得原本繁杂的手工工序得到了简化，如图3、图4所示。

图3 传统定格动画工作流程

图4 偶形布景设计制作环节融入全新的3D采集

及3D打印技术

定格动画与3D扫描与3D打印技术的完美结合，使传统定格动画得到了升华和完善，既弥补了定格动画制作的复杂性，也最大限度地保持了其朴实的逼真性。

3 3D扫描、3D打印技术结合定格动画带来的新变革

在现代科技的高速发展下，3D扫描、3D打印技术结合定格动画，必将带来的新变革。

3.1 节约成本，缩繁为减

就传统定格而言，角色、场景制作越精良，工序就越复杂，相应的制作成也就本越高。而加入3D打印技术制作，并配合传统手工艺技术的定格动画，反而简化普通人制作产品的流程，缩减了成本。因为依靠3D扫描、3D打印技术的支撑，加上计算机软件的生成，就可以省去损耗素材的成本，创建出本需要很多工序、人力、财力、物力，形状各异、复杂的定格动画的角色、场景。

3.2 提高效率，优化创作

在定格动画的整体创作中，无一不体现创建符合情节需要的模型的重要性。传统定格动画中角色如果在一个或几个场景中出现就需要反复翻制人偶、场景等素材，期间要经过复杂的手工工序，不断的再加工，花费大量的的时间才能制作完成。同样的运用3D扫描技术和3D打印技术的定格动画将数字精度扩展到实体世界，通过3D扫描仪获得的计算机能直接处理的数字模型，在三维软件中复制、编辑对象，进行的细节调整和实验，创建精确的副本或优化原件。所以如果能将3D扫描技术和3D打印技术配合使用， 就能轻松完成许多小型复杂物体的制作工作，也不必等待好由工厂生产原型产品的时间，极大节约了时间与精力，提高了工作效率，能够更好更轻易地构建精细而细腻的动画角色、动画场景。

3.3 完善材质，提高真实感

在定格动画电影制作中，人物造型、道具、角色动作甚至是故事情节设计，都离不开对材料材质的选择，而传统定格动画材质通过摄影机拍摄却无法完美呈现，尤其在立体感表现方面欠佳，而运用3D扫描技术对模型材质进行扫描后，经过数字修正，再使用多种 “印材料”对角色和场景不同区域进行3D实物打印，既保留了材料材质的原始属性，修正后又使得材质细节更加精准、完真。实物成型后，再采用逐帧拍摄，将诸多静态画面制作成动态影像，给观影者营造极佳的影像体验效果，更能有效表达创作者的创意与智慧。

3.4 连接手工艺和科技，丰富效果

众所周知，传统定格动画的制偶、制景是以实物搭建，如泡沫、塑料、沙子、盐、铝铁、玻璃、线团、泥、陶、纸、木、竹、塑料，蜡、硅胶、布料等，全片各角色、场景及道具不仅要精细选材，且要精细制作，传统手工制作艺术形式贯穿于整个定格动画的创作中。手工技术源于生活，融合了民间群众智慧，具有原始朴素的特质。80届奥斯卡金像奖最佳动画短片奖的定格动画《彼特与狼》，为了呈现影片细腻逼真的效果，就采用了相当纯熟的手工技术，如用白色的驼羊毛来表现老人蓬松的发须，用半透明的矽和颜料混合制成人物的皮肤，更为了达到湿润而有神韵的眼睛而在眼球上涂抹甘油并刻画细致的脉络纹理。动画师们整合了这些天然的材料使整部影片在真实与艺术中找到和谐统一。

在科技快速发展的今天，通过先进的科学技术突破传统工艺瓶颈的制约。用3D扫描技术全方位扫描实物，获得景物三维模型及材质，同时捕捉景物的动态参数，再通过调节参数加以变化、组合，将虚拟景像随心所欲融入创意思想，最后打印出符合情景的动画模型和场景，而实现快捷、精准，更加丰富的表现效果，实现定格动画的多元化发展，如在定格动画中增强传统手工艺元素，如借鉴民间艺术中的皮影、剪纸、木偶等，将丰富定格动画的艺术表现效果。

4 结 语

定格动画拥有经久不衰的艺术魅力，它不仅继承了传统技艺，还在不断完善自身的同时也不断汲取各种先进技术的长处。所以我们应该充分发挥定格动画的优势，革新动画语言，支持动画业的全新发展。在动画技术日新月异，科学技术飞速发展的今天，与3D扫描、3D打印技术结合的定格动画揭开了动画新篇章.

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