3D打印技术以及应用趋势

刘金畅

摘要：在最近的一段时间内，3D打印技术在诸多个领域当中，例如工业产品制造，尤其是数字产品模型制造方面的应用已经越来越受到人们的关注和喜爱。3D打印技术实际上就是一种以数字的样子从三维立体的实物高速构造物理对象的非常流行的制造技术。该技术在医疗行业、骨骼制造、文物制造、工业制造、汽车零件制造、航空航天以及国防、教育、地理信息系统等领域都有着较为广泛的应用。众多研究者认为这项技术将引领制造业发展的新趋势，甚至被誉为 2012 年 10 大发明之一。随着 3D 打印技术的高速发展，3D打印技术已经慢慢地和各个领域有着越来越多的交叉，成为各个领域未来发展的强有力助推器。桌面级的3D打印设备已经开始快速发展，慢慢的变得成熟且加以应用，全球工业分析公司（Global Industry Analysis Inc）的研究报告预测2018年全球3D打印市场将达到29.9亿美元。

关键词：3D打印；教育应用；模式构建

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8315-02

3D打印技术发展了短短数年，在国内外已经取得了长足的发展，不过在3D打印教学当中却和其发展势头不匹配。该文在研究3D打印技术原理的基础上，详细的了解了3D打印技术对于教育的意义，同时构建了基于3D打印技术的教学应用模式，争取为更深层次了解3D打印技术在教学中的应用给出具有较高价值的参考。到目前为止，3D打印技术已经被认为是即将到来的第三次工业革命的推动性技术之一，已经得到了全球多家研究机构和知名公司的认可。该文详细介绍了 3D打印技术的诸多优势，例如数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造和快速制造等优点，随后具体提出了光固化成形、材料喷射、粘结剂喷射、熔融沉积制造、选择性激光烧结、片层压和定向能量沉积这七类 3D打印工艺。对这七类3D打印技术的世界商业化情形以及应用的领域进行了详细的介绍，随后根据目前的3D打印技术的现状对其的发展的明天做了详细的展望。最后得出的结论：3D打印技术是一项革命性的新技术，可能会引发第三次工业革命，其必将深刻的改变传统行业，我们有理由相信，短期内必将促进行业更好的走高科技发展之路。

1 3D打印技术与3D打印机

3D打印技术和我们熟知的3D印刷虽然看着只差一个字，给人的感觉好像差不多，但实质上却差之千里。3D印刷仅仅是将一章图片划分为角度相异的红、蓝两张图片，随之把上述的两张图片根据特定的视差距离套印在一起，然后采取带有滤光效果的眼镜来看出3D的视觉效果，也可以把图片按照一定的方式处理之后，不经过加工印刷在与传统认识不同的光栅板的上面，采取这样的方式就可以有3D视觉效果的一种特殊的印刷手段。相比而言，3D打印技术则是指选择三维喷墨打印的技术，利用分层加工和叠加成形互相融合的思路，每一层都进行打印来强化材料来得到3D的实体，它的工作原理能够分成两个大类：

1.1 基于三维打印技术的3D打印机

采用先进的三维打印技术的3D打印机首先会从储备原料的地方向外部提供一小部分的原材料粉末，这部分原材料在加工的时候被加工成非常薄的一层，随后打印头会在需要加工的目标的部分推送一种不常见的黏合药品。在这个时候，上述的原材料粉末遇到黏合剂会发生急速聚集并牢固地站在一起，相比之下未能遇到黏合剂的粉末就会跟之前的粉末状态一致。上述的加工工序在每一层循环，每一层的加工完毕后，加工平台就会自动下降一点，加工的时间和精度以及形状是由切片完全确定的，直到打印出真实的物体。在整个工序都完成之后仅仅需要清除残留的外层粉末就可以轻易得到之前想要得到的立体的物体。

1.2 基于熔融沉积制造技术的3D打印机

基于熔融沉积制造技术的3D打印机的工作原理是先在3D打印机的控制软件中导入由CAD生成的实物数据，经处理生成支撑材料和热喷头的运动路径。下一步就是热喷头会在电脑的精确控制下按照三维物体的截面轮廓的参数在平面上做事先规划好的特殊的运动，同时热塑性丝状材料由供丝机构送至热喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态后挤压出，并喷涂在相应的工作平台上。喷涂热塑性材料快速冷却后在平台上形成一层厚度约0.1 mm的轮廓薄片，形成了一个3D打印截面。将这个作业过程不断循环，承载工作台高度随之不断降低，利用这样的办法来得到需要的物体。

2 3D打印技术的应用需求

和我们熟知的机械加工技术有着很大的差别，3D打印技术的精髓是一层层的类似于打印一张张纸最后叠加而成的三维物体， 每一层的增加原料来得到三维物体的高新技术，又被全球多位专家叫做高速成型技术，也叫做增材制造技术（AM， Additive Manufacturing）。3D打印技术可以在级大地强化制作效率以及设备精密的程度，且在欧美等发达国家已经得到了更好的发展， 3D打印技术已经初步形成了规模，可以打印的材料种类非常丰富，以生物细胞为材料甚至都可打印出人体的各种形状的器官，或者用钢铁镍钛等金属也可以打印飞机零件等； 以沙子为材料可打印建筑；以玻璃为材料可打印玻璃制品；以金属为材料可打印机械零件等。到现在为止， 3D打印技术已经为国内外诸多的领域做出了突出的贡献，为技术创新提供了良好的平台。

到现在为止3D打印技术已经能够成功地打印很多类型的材料，已经能够逐步地应用到全球各行各业当中，可以说应用3D打印的领域数不胜数。若仅仅考虑到客户得应用目的，需要使用的材料也不尽相同。3D打印机以其优异的特性，在市场上有着不可替代的位置，且该技术开发时间不长，可以有很大的潜力等待全球的科研技术工作者们进行开发。

2.1 工业应用

著名的“空气单车”是位于美丽的布里斯托尔的著名公司选择的3D打印机，利用3D打印技术制造出了全球首辆打印自行车。这辆特殊的自行车使用的材料其硬度和韧性都可以跟普通自行车的材料相媲美，但是它却是一种特殊的尼龙材料，密度要远远小于金属材料。更有趣的是，“空气单车”无论是车轮、链条还是轴承都是一次打印出来的，无需原来先制造零件再将零件组装在一起的总装流程，打印结束后，自行车就能够活动自如。这台自行车的制造工艺就跟日常打印书本一样容易，同时，3D打印机以其优异的自身优势，可以打印出空间不相连的三维立体的物体。endprint

2.2 3D打印技术在教育中的作用

3D打印技术发展到现在，已经取得了令人瞩目的进步，在众多的领域内都取得了辉煌的成绩。对于教育行业，它的价值就在于它可以得到对事物更直观更理性的研究机会，而恰恰是这种机会在以前可以说是一个不可能完成的任务。对于 3D 打印技术可以轻易地打印三维立体的物体这种神奇的特性来说，对其的研究为学习活动的开展提供了新的可能。下面分别从教师和学习者视角分析 3D 打印技术在教育的角色中扮演助推器角色。教师在教学过程中利用 3D 打印制作的教学用具，可以扩展学习者的感觉和知觉增强触觉体验，弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时，教师也将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。这一就能够强化学生的思路使之更加清晰，强化学生的逻辑思维以及理解能力，从而从根本上实现了教师教学改革，也使得学生的学习效率成倍提升。

2.3 医学应用

对于医学方面，选择3D打印技术将双光子聚合物以及生物功能材料组合生成的成毛细血管，在有着极佳的的弹性以及人体相容性意外，也可以在替换坏死的血管方面有着比较大的应用潜力。3D打印也可以和人造器官相结合，可以在药物研发中减少动物的必要死亡，对生态环境也有着巨大的积极作用。

2.4 日常生活应用

“3D食物打印机”是由美国纽约康奈尔大学开发的专门用于制造食物的设备。这部“3D食物打印机”选择了一种工作模式，这种模式与我们平常打印机的工作原理有异曲同工之妙，将原材料和配料放入容器内（与打印机的墨盒相似）中，一旦选择了所需的食谱，利用其自带的的CAD软件就可以将美食“3D打印”出来。从这个方面来说，这种革命性的烹饪方式代表着他们能够创作之前从来不曾想象的菜，菜品的数量也将爆炸式增长。使用“3D食物打印机”来打印食物，能够最大程度地减少从原材料一直到成品之间的步骤，从而降低了一系列的成本。

3 3D打印技术的发展趋势

随着3D打印技术从无到有从弱到强，其做大做强之后成本的快速下降已经导致了3D打印技术已经真正的走进了市场，蓬勃发展，速度惊人，已经成为全社会共同关心的全新领域。应用3D打印技术打印的模型、医疗骨骼甚至是装饰用品等的应用，都在非常大的范围内上唤起了社会的关注。

在我国首个研发3D打印的学者是华中科技大学快速制造中心主任史玉升预计，在他的眼中，在即将到来的10年内，只需要在电脑上点击打印，先进的3D打印机就能一步步地制造出我们需要的模型。目前部分铸造企业已经着手开发选择性激光烧结3D打印机的事情，希望把复杂铸件的生产周期缩短两个半月，效率提高89%。图1为3D打印出的装饰品。

社会每天都在发展， 3D打印技术多年来持续有新的突破，其制造的速度越来越快、尺寸在也越来越大，质量也越来越好。在过去，一个零件往往需要几百甚至上千个图纸来对其描述，而应用了3D打印技术，一张图就可以精确描述一个零件。因此，3D打印技术，可以从根本上改变制造业的发展和设计人员的思维。

4 结论

3D打印技术是一种新兴的高科技技术， 由其独特的运作模式和巨大的作用，教育领域将是未来 3D 打印技术的下一个的重要市场。该文通过分析3D打印原理和3D打印技术在教育中的作用构建了基于3D 打印技术的教学应用模式，这样可以为后续实际应用和深入的研究打下良好的铺垫。尽管 3D 打印技术在教育领域具有广阔的发展前景，但是目前其在教育机构的推广和普及仍面临着巨大挑战。例如：3D 打印机仍然不是一个经济的选择，可制作原材料稀少，制作成本居高不下等。这也将成为全球学者们未来的重点研究的课题和方向。我们有理由相信，3D打印技术一定会淘汰传统生产线，生产效率高出几十倍，与此同时所需原材料用量只占传统所需的几分之一。

参考文献：

[1] 杰里米·里夫金.第三次工业革命[M].张体伟，孙豫宁，译.北京： 中信出版社，2012.

[2] 刘燕华，王文涛.第三次工业革命与可持续发展[J].中国人口资源与环境，2013，23（4）：3-7.

[3] 王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013（1）：91-93.

[4] 李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（1）：32-34.endprint

2.2 3D打印技术在教育中的作用

3D打印技术发展到现在，已经取得了令人瞩目的进步，在众多的领域内都取得了辉煌的成绩。对于教育行业，它的价值就在于它可以得到对事物更直观更理性的研究机会，而恰恰是这种机会在以前可以说是一个不可能完成的任务。对于 3D 打印技术可以轻易地打印三维立体的物体这种神奇的特性来说，对其的研究为学习活动的开展提供了新的可能。下面分别从教师和学习者视角分析 3D 打印技术在教育的角色中扮演助推器角色。教师在教学过程中利用 3D 打印制作的教学用具，可以扩展学习者的感觉和知觉增强触觉体验，弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时，教师也将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。这一就能够强化学生的思路使之更加清晰，强化学生的逻辑思维以及理解能力，从而从根本上实现了教师教学改革，也使得学生的学习效率成倍提升。

2.3 医学应用

对于医学方面，选择3D打印技术将双光子聚合物以及生物功能材料组合生成的成毛细血管，在有着极佳的的弹性以及人体相容性意外，也可以在替换坏死的血管方面有着比较大的应用潜力。3D打印也可以和人造器官相结合，可以在药物研发中减少动物的必要死亡，对生态环境也有着巨大的积极作用。

2.4 日常生活应用

“3D食物打印机”是由美国纽约康奈尔大学开发的专门用于制造食物的设备。这部“3D食物打印机”选择了一种工作模式，这种模式与我们平常打印机的工作原理有异曲同工之妙，将原材料和配料放入容器内（与打印机的墨盒相似）中，一旦选择了所需的食谱，利用其自带的的CAD软件就可以将美食“3D打印”出来。从这个方面来说，这种革命性的烹饪方式代表着他们能够创作之前从来不曾想象的菜，菜品的数量也将爆炸式增长。使用“3D食物打印机”来打印食物，能够最大程度地减少从原材料一直到成品之间的步骤，从而降低了一系列的成本。

3 3D打印技术的发展趋势

随着3D打印技术从无到有从弱到强，其做大做强之后成本的快速下降已经导致了3D打印技术已经真正的走进了市场，蓬勃发展，速度惊人，已经成为全社会共同关心的全新领域。应用3D打印技术打印的模型、医疗骨骼甚至是装饰用品等的应用，都在非常大的范围内上唤起了社会的关注。

在我国首个研发3D打印的学者是华中科技大学快速制造中心主任史玉升预计，在他的眼中，在即将到来的10年内，只需要在电脑上点击打印，先进的3D打印机就能一步步地制造出我们需要的模型。目前部分铸造企业已经着手开发选择性激光烧结3D打印机的事情，希望把复杂铸件的生产周期缩短两个半月，效率提高89%。图1为3D打印出的装饰品。

社会每天都在发展， 3D打印技术多年来持续有新的突破，其制造的速度越来越快、尺寸在也越来越大，质量也越来越好。在过去，一个零件往往需要几百甚至上千个图纸来对其描述，而应用了3D打印技术，一张图就可以精确描述一个零件。因此，3D打印技术，可以从根本上改变制造业的发展和设计人员的思维。

4 结论

3D打印技术是一种新兴的高科技技术， 由其独特的运作模式和巨大的作用，教育领域将是未来 3D 打印技术的下一个的重要市场。该文通过分析3D打印原理和3D打印技术在教育中的作用构建了基于3D 打印技术的教学应用模式，这样可以为后续实际应用和深入的研究打下良好的铺垫。尽管 3D 打印技术在教育领域具有广阔的发展前景，但是目前其在教育机构的推广和普及仍面临着巨大挑战。例如：3D 打印机仍然不是一个经济的选择，可制作原材料稀少，制作成本居高不下等。这也将成为全球学者们未来的重点研究的课题和方向。我们有理由相信，3D打印技术一定会淘汰传统生产线，生产效率高出几十倍，与此同时所需原材料用量只占传统所需的几分之一。

参考文献：

[1] 杰里米·里夫金.第三次工业革命[M].张体伟，孙豫宁，译.北京： 中信出版社，2012.

[2] 刘燕华，王文涛.第三次工业革命与可持续发展[J].中国人口资源与环境，2013，23（4）：3-7.

[3] 王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013（1）：91-93.

[4] 李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（1）：32-34.endprint

2.2 3D打印技术在教育中的作用

3D打印技术发展到现在，已经取得了令人瞩目的进步，在众多的领域内都取得了辉煌的成绩。对于教育行业，它的价值就在于它可以得到对事物更直观更理性的研究机会，而恰恰是这种机会在以前可以说是一个不可能完成的任务。对于 3D 打印技术可以轻易地打印三维立体的物体这种神奇的特性来说，对其的研究为学习活动的开展提供了新的可能。下面分别从教师和学习者视角分析 3D 打印技术在教育的角色中扮演助推器角色。教师在教学过程中利用 3D 打印制作的教学用具，可以扩展学习者的感觉和知觉增强触觉体验，弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时，教师也将隐性知识和认知结构显性化，使学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。这一就能够强化学生的思路使之更加清晰，强化学生的逻辑思维以及理解能力，从而从根本上实现了教师教学改革，也使得学生的学习效率成倍提升。

2.3 医学应用

对于医学方面，选择3D打印技术将双光子聚合物以及生物功能材料组合生成的成毛细血管，在有着极佳的的弹性以及人体相容性意外，也可以在替换坏死的血管方面有着比较大的应用潜力。3D打印也可以和人造器官相结合，可以在药物研发中减少动物的必要死亡，对生态环境也有着巨大的积极作用。

2.4 日常生活应用

“3D食物打印机”是由美国纽约康奈尔大学开发的专门用于制造食物的设备。这部“3D食物打印机”选择了一种工作模式，这种模式与我们平常打印机的工作原理有异曲同工之妙，将原材料和配料放入容器内（与打印机的墨盒相似）中，一旦选择了所需的食谱，利用其自带的的CAD软件就可以将美食“3D打印”出来。从这个方面来说，这种革命性的烹饪方式代表着他们能够创作之前从来不曾想象的菜，菜品的数量也将爆炸式增长。使用“3D食物打印机”来打印食物，能够最大程度地减少从原材料一直到成品之间的步骤，从而降低了一系列的成本。

3 3D打印技术的发展趋势

随着3D打印技术从无到有从弱到强，其做大做强之后成本的快速下降已经导致了3D打印技术已经真正的走进了市场，蓬勃发展，速度惊人，已经成为全社会共同关心的全新领域。应用3D打印技术打印的模型、医疗骨骼甚至是装饰用品等的应用，都在非常大的范围内上唤起了社会的关注。

在我国首个研发3D打印的学者是华中科技大学快速制造中心主任史玉升预计，在他的眼中，在即将到来的10年内，只需要在电脑上点击打印，先进的3D打印机就能一步步地制造出我们需要的模型。目前部分铸造企业已经着手开发选择性激光烧结3D打印机的事情，希望把复杂铸件的生产周期缩短两个半月，效率提高89%。图1为3D打印出的装饰品。

社会每天都在发展， 3D打印技术多年来持续有新的突破，其制造的速度越来越快、尺寸在也越来越大，质量也越来越好。在过去，一个零件往往需要几百甚至上千个图纸来对其描述，而应用了3D打印技术，一张图就可以精确描述一个零件。因此，3D打印技术，可以从根本上改变制造业的发展和设计人员的思维。

4 结论

3D打印技术是一种新兴的高科技技术， 由其独特的运作模式和巨大的作用，教育领域将是未来 3D 打印技术的下一个的重要市场。该文通过分析3D打印原理和3D打印技术在教育中的作用构建了基于3D 打印技术的教学应用模式，这样可以为后续实际应用和深入的研究打下良好的铺垫。尽管 3D 打印技术在教育领域具有广阔的发展前景，但是目前其在教育机构的推广和普及仍面临着巨大挑战。例如：3D 打印机仍然不是一个经济的选择，可制作原材料稀少，制作成本居高不下等。这也将成为全球学者们未来的重点研究的课题和方向。我们有理由相信，3D打印技术一定会淘汰传统生产线，生产效率高出几十倍，与此同时所需原材料用量只占传统所需的几分之一。

参考文献：

[1] 杰里米·里夫金.第三次工业革命[M].张体伟，孙豫宁，译.北京： 中信出版社，2012.

[2] 刘燕华，王文涛.第三次工业革命与可持续发展[J].中国人口资源与环境，2013，23（4）：3-7.

[3] 王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013（1）：91-93.

[4] 李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（1）：32-34.endprint