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3D打印机的发展现状与趋势综述
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（大学）
摘 要：3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，被誉为是第三次工业革命的重要标志之一。近年来，国内外3D打印技术蓬勃发展，在航空航天、生物医学工程、工业制造等多个方面有着广泛地应用。本文通过介绍3D打印技术的概念及应用，阐述了国内外3D打印技术及产业的现状，并结合数据，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。关键词：3D打印 技术现状 发展趋势
0.前言
为了让读者更快速更全面的了解3D打印机的发展现状和趋势，特写了这篇综述。3D打印技术是制造业正在迅速发展的一项新兴技术，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。文章通过介绍3D打印的概念及应用领域，重点阐述了3D打印技术及产业在国内外的发展现状，结合数据分析，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。
1.技术现状
1.1 3D打印技术概念
严格意义上来说，3D打印技术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。是制造业正在迅速发展的一项新兴技术，被英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，称为第三次工业革命的重要标志之一。3D打印作为一种通俗化名称，其实质是增材制造技术，因此又称为添加制造（AM,Additive Manufacturing）。美国材料与试验协会将增材制造技术定义为：基于3D模型数据，采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程，通常通过电脑控制将材料逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为立体实物，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。1.2 3D打印技术的应用领域
近20年来，3D打印技术在各领域发展迅速，主要被应用于产品原型、磨具制造，以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统以来的精细加工工艺。除此之外，该技术在鞋类、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支、生物工程以及其他多个领域都有所应用，从市场份额来看，3D打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18.2%，应用于航空航天和国防军工占13.7%，在商业机器领域占11.2%，在医疗领域占8.8%，在科研方面占8.6%。同时，3D打印技术为这些产业的创新开拓注入了新鲜的血液，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。1.3 3D打印技术及产业的国内外发展现状 1.3.1 国际情况
经过多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的发展。3D打印技术在国外发展较快，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。打印的速度也有所提高，国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可以实现24位色彩的彩色打印.截至2012年底，3D打印成型公司Stratasys的产品已经可以支持123种不同材料进行3D打印。
目前，美国Z corp公司与日本Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能够制作出彩色原型件的三维打印机。2000年底以色列的Object Geometries公司推出了基于结合3D Ink—Jet与光固化工艺的三维打印机Quadra。在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司公司的产品占据了绝大多数市场份额。其中，3D Systems公司的实力最为强大，代表了3D打印技术目前的技术水平和未来的发展趋势，可以为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业或研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式，如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。同时，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。1.3.2 国内情况
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，自20世纪90年代初以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。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取得了不错的成果，有部分技术已经处于世界先进水平。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDMT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。但总体而言，国内3D技术的研发水平还有较大差距。我国港台地区很多高校和企业都有自己的3D打印设备，RP技术应用更为广泛，但并非自主研发。
目前，国内对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华，湖北滨利机电，深圳维示泰克，江苏敦超等，这些企业已经基本实现了3D打印机的整体生产和销售。但这些企业多是由海外归国团体建立，规模小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端水平。目前，国内3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步的提升。
2.发展趋势
2.1.困难与挑战
根据国际快速制造行业权威报告《Wholes Report 2011》发布的调查结果，全球3D行业打印产业产值在1988~2010年期间保持着26.2%的年增长速率。报告预期，3D打印产业未来将持续较快地增长，到2016年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31亿美元，2020年将达到52亿美元。但3D打印技术要进一步扩展其产业运用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了一定困难；二是概念方面，现在3D打印技术的概念普及范围还不是很广，国内外各个高校也还没有开设相应课程介绍、学习这门新兴技术；三是打印材料方面，首先不能把所有的材料都制成极精细的糊状，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，材料选择的局限性较大，成型品的物理特性也不理想，并且安全方面也存在一定的隐患.四是精度、速度、效率方面，打印速度也很慢，不能用于大批量生产。改善3D打印系统的可靠性、生产效率和制作大件能力，要提高3D打印的速度和效率。2.2 发展趋势
Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据优势地位。随着智能制造，控制技术，材料技术，信息技术等不断发展和提升，这些技术也被广泛地综合应用与制造工业，3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趋势，可在以下几方面进行改善：
2.2.1 精密化
可提升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、多种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。3D打印机可以向双色或多色打印机发展，同时进行两种以上颜色的渲染，得到更有层次和立体感的打印模型。2.2.2.智能化和便捷化
目前，3D打印设备在软件功能、后处理、设计软件与生产控制软件的无缝对接等方面还有许多问题需要优化。例如，成型过程中需要加支撑，成型过程中需要不同材料转换使用，加工后的粉末去除方面，都需要软件智能化和自动化程度进一步提高。同时，随着3D打印技术越来越普遍地运用到服装、设计、生活生产当中，只有用户在使用过程中觉得简易上手，技术门槛低，复杂程度低，才能使用户有更好的使用体验，才能更普遍地推广这一技术。而这一系列问题都直接影响到设备的普及和推广，设备智能化、便捷化是走向普及的保证。目前，3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世：3D打印的家用器具模型．也被用于企业的宣传、营销活动中。2.2.3 通用化
3D打印是近年来国际上的发展热点，其输出设备称为3D打印机，是作为一个计算机的外部输出设备使用。它可以直接将计算机中制图软件中的三维设计图形输出成一个三维彩色实体，在科学教育，工业制造，产品创意，工业美术等方面有广泛地应用前景和巨大的商业价值，这同时要求3D打印技术向低成本、高精度、高性能的方向发展.随着技术的日益成熟，3D打印店将越来越多，个性化打印定制服务成为一种潮流。通过3D打印技术．创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，该产品将根据你自己确切的具体信息进行定制，通过3D打印制造并直接送到你的家门口。
3.总结
3D打印作为一种新兴的产业，在国内外正在蓬勃发展，将来也会发展地更加通用，更加成熟。文章主要是整合了前人比较零散的观点，对3D技术的发展趋势有预见性的分析，但其分析可能并不是特别的全面，希望可以之后可以从不同的角度和方向更好的完善。3D打印技术给人们带来了巨大的生产自由度，但目前只能做些小规模的装饰品，要谈到大规模工业生产，取代传统的工业生产方式，仍然还有很长的路要走。相信市场的巨大需求会加速3D打印机及其应用的普及，势必像电脑一样走入千家万户，更好地方便人们生活，为提升人们的生活品质提供服务。
参考文献
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