3D 打印发展的背景与应用

3D打印发展的背景与应用

一．时代背景

在科学技术飞快发展的今天，3D打印技术逐渐进入人们的视野，并被赋予“第三次工业革命”的大背景。3D打印使之前人们的许多天马行空的想象成为现实，以3D打印为代表的快速成型技术被看作引发新一轮工业革命的关键要素。在某种程度上，3D打印技术将成为中国装备制造业转型升级的绝佳机会。

3D打印思想久已有之，人们在使用3D CAP（3D计算机辅助技术，20世纪70年代诞生）的时候就希望方便地将设计“转化”为实物，因此也就有了发明3D打印机的必要。但直到1986年，查尔斯·W·赫尔（Chuck·Hull）开发了第一台商业3D印刷机，3D打印才开始登上历史舞台。因此，查尔斯·赫尔被人们称为3D打印技术之父。此后，3D打印技术经过了一个不断发展与应用的过程。九十年代的好莱坞电影开始出现以3D打印为灵感的故事情节，科研人员开始了3D打印技术在相关领域中的开发与研究。近20多年来，3D打印技术取得了良好的发展。

价格下降和技术进步是最3D打印迅速发展的两个重要原因。最早的Stratasys 3D打印机每台售价高达13万美元。Stratasys 在城里3年后才卖出自己的第一台3D打印机。时至今日，普通3D打印机的价格已降至2千美元左右，国产3D打印机甚至只需1千美元上下。价格的下跌，直接促成了3D打印机进入寻常百姓家。近30年间，3D打印的技术不断成熟。从打印单一材料的模型到直接打印多种材料的产品，再配合计算机软件设计技术的发展，从理论上来说，3D 打印机正日益成为一台能制造万物的神奇机器。

当前，3D打印机在欧美国家已经形成一种潮流和噱头。纽约利用3D技术生产消费品的公司Quirky很快就聚集了20万的注册用户，在线搜集用户的创意，用3D打印机用最快的速度成型，设计者常从一个创意就获得不少收入，有的用户一年能赚几百万美元。美国加利福尼亚州的Legacy Effect公司，利用Object 3D打印机为电影特效片段制造3D模型和原型，在电影《侏罗纪公园》、《阿凡达》、《钢铁侠》以及《复仇者联盟》中都有应用。 2012年，日本一家公司甚至推出了面向个人的“Baby复原服务”，只需提供婴儿在母亲肚子里的X光照片，他们便可以复原成三维图像，打印出一个肚子里的婴儿模型作为纪念。《时代》周刊

将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”。据Wohlers Associates预测，2015年将达到37亿美元，并预计到2020年达到52亿美元。随着技术成果的推广和应用，3D打印技术产业的发展呈现出快速增长势头。从行业分布来看，用于消费电子领域的打印技术仍然占主导地位，大约占20.3%的市场份额，其他主要领域依次是汽车（19.5%）、医疗和医科（15.1%）、工业及商用机器（10.8%）；从区域分布来看，北美地区（40.2%）、欧洲（29.1%）、亚洲（26.3%）三大区域占主导地位，其中亚洲地区主要集中于日本（38.7%）及中国（32.9% ）。

近年来，3D打印技术在国内也取得了较好的发展，科研方面的应用相对发展较快，一些科研成果已经被应用到航空航天及生物、医学等尖端领域。自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0．2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。这些公司已经实现一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面3D打印机的价格已具有国际竞争力，成功进入欧美市场。一些中小企业成为国外3D打印设备的代理商；还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。国内目前也出现了一些依托3D打印技术的创意打印商店，目前正处于发展阶段。

但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D 打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D 打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。

二、3D打印10大优势

优势1：制造复杂物品，不增加成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。

优势2:产品多样化，不增加成本

一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

优势3:即拆即用，无须组装

3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。

优势4:零时间交付，减少库存

3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。

优势5:设计空间，突破局限

传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。

优势6:直接操作，零技能制造

传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进