论述3D打印的技术现状及发展趋势

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3D打印的技术现状及发展趋势

一 3D打印技术概况

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三

维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制

造（AM，Additive Manufacturing）。

3D 打印（3Dprinting）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”。运用该技术进行生

产的主要流程是：应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过

特定的成型设备（俗称“3D 打印机”），用液化、粉末化、丝化的

固体材料逐层“打印”出产品。

3D 打印是“增材制造”（AdditiveManufacturing）的主要实现

形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控

制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，

去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。

而“增材制造”与之截然不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算

机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化产品的

制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控

制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具

有很高的科技含量。

3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技

术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系

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统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印

工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

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，至少包括以下方面：

1.信息技术：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，并且根据模型自动分析出打印的工序，自动

控制打印器材的走向。

2.精密机械：3D 打印以“每层的叠加”为加工方式。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。

3.材料科学：用于3D 打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末

化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化

学性质。

三 3D打印的应用领域

具体应用领域包括：

1．工业制造：产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证；制

作模具原型或直接打印模具，直接打印产品。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．文化创意和数码娱乐：形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载

体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印塑造了部分角色和道具，3D 打

印的小提琴接近了手工艺的水平。

3．航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、

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机构的直接制造。

4．生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。

5．消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造。

6．建筑工程：建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）

模拟。

7．教育：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的

一些中学、普通高校和军事院校，3D 打印机已经被用于教学和科研。

四 3D打印技术及产业国际国内现状

国际现状：

经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已

经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上

较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可实现24位色

彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D System和

Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领

域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab@Home和

Shapeways、英国的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速

成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和

最初专利拥有者Z Corporation公司之后，3D Systems奠定了在3D打

印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普

公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购

Solidscape公司之后，Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印

系统提供商Objet宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速

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的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。

目前在欧美发达国家，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。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。

如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案，以

3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创

新产品，年收入达到100万美元。

国内现状：

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。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

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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。

五 3D打印技术的发展趋势

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。