3d打印技术研究现状

第一篇：3d打印技术研究现状

3D打印技术的目前现状和发展趋势

物联网1501 张河钰 0919150108

3D打印技术(3D printing)，是快速成形技术的一种，它是一种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打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。

一、3D打印技术简介

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)。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。

目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印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打印技术及产业国际国内发展现状

(1) 国际情况

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 Systems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。

(2) 国内情况

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。

(3)3D打印产业的未来发展前景

根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果，全球3D打印产业产值在1988～2010年间保持着26.2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，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应用空间，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困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

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。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。

总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，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有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。

(4) 3D打印技术未来发展的主要趋势

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。

第二篇：我国3D打印技术发展现状及环境分析

摘要：3D打印技术已获得迅速发展，并受到世界各国广泛关注，基于目前3D打印技术发展的现实情况，着重分析我国3D打印技术发展现状以及面临的环境条件，并提出我国3D打印技术发展与应用的对策建议，以便为我国抢抓3D打印技术发展机遇提供重要技术支撑。

近年来，3D打印技术获得迅速发展，并受到世界各国的广泛关注，美国科学家将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一，有的甚至期望3D打印这种神奇的技术能带来“第三次工业革命”[1][2]。军事强国加大技术研发力度，3D打印技术成熟度及性能不断提升，3D打印精度和速度不断提高，打印成本越来越低，打印原材料更加丰富;主要国家积极探索3D打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用，已经通过3D打印技术成功“打印”出手枪;美军应用3D打印技术，辅助研制了导弹用的弹出式点火器模型;美国GE集团已应用3D打印技术制造喷气发动机[3]。随着世界各国不断加大对3D打印技术的研发与投入，我国也开始高度重视3D打印技术发展与应用，已持续加大对3D打印技术支持，在若干关键技术方向取得了重要突破，在多个领域的应用取得重要进展，3D打印技术发展的支撑环境条件更加完善。

一、我国3D打印技术发展现状

我国3D打印技术发展与发达国家相比，虽然在技术标准、技术水平、产业规模和产业链方面还存在大量有待改进和发展的地方，但经过多年的发展，已形成以高校为主体的技术研发力量布局，若干关键技术取得重要突破，产业发展开始起步，形成了小规模产业市场，并在多个领域成功应用，为下一步发展奠定了良好基础。

(一)初步建立以高校为主体的技术研发力量体系

自上世纪90年代初开始，北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学、清华大学等高校相继开展了3D打印技术研究，成为我国开展3D打印技术的主要力量，推动了我国3D打印技术的整体发展。北京航空航天大学“大型整体金属构件激光直接制造”教育部工程研究中心的王华明团队，西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东团队主要开展金属材料激光净成形直接制造技术研究。清华大学生物制造与快速成形技术北京市重点实验室颜永年团队主要开展熔融沉积制造技术、电子束融化技术、3D生物打印技术研究。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室史玉升团队主要从事塑性成形制造技术与装备、快速成形制造技术与装备、快速三维测量技术与装备等静压近净成形技术研究。西安交通大学制造系统工程国家重点实验室，以及快速制造技术及装备国家工程研究中心的卢秉恒院士团队主要从事高分子材料光固化3D打印技术及装备研究。[4] (二)整体实力不断提升，金属3D打印技术世界领先

我国增材制造技术从零起步，在广大科技人员的共同努力下，技术整体实力不断提升，在3D打印的主要技术领域都开展了研究，取得一大批重要的研究成果，特别是在高性能金属零件激光直接成形技术方面取得重大突破，技术水平达到世界领先。高性能金属零件激光直接成形技术世界领先，攻克了金属材料3D打印的变形、翘曲、开裂等关键问题，成为首个利用选择性激光烧结(SLS)技术制造大型金属零部件的国家。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成形技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件。西北工业大学的激光立体成形技术可一次打印超过5米的钛金属飞机部件，构件的综合性能达到或超过锻件。北京航空航天大学和西北工业大学的高性能金属零件激光直接成形技术已成功应用于制造我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋，以及正在设计的第五代战斗机的钛合金主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比，缩短了设计时间[5]。

(三)产业化进程加快，初步形成小规模产业市场

利用高校、科研院所的研究成果，依托相关技术研究机构，我国已涌现出20多家增材制造设备与服务企业。北京隆源自动成型系统有限公司，1993年开始研发选区粉末烧结激光快速成型机并取得自主知识产权，广泛应用于航空航天、船舶兵器等行业的设计试制部门;北京太尔时代科技有限公司自主研发了拥有完全自主知识产权的控制系统、机械系统、打印材料等3D打印机核心技术;紫金立德公司专业从事3D打印机及其耗材的开发、生产、销售，并提供相关服务;西安铂力特激光成形技术有限公司是激光快速成形技术的产业化公司，公司产品已在国家多项重点型号研制和生产过程中得到应用，如应用于C919大型商用客机中央翼身缘条钛合金构件的制造，是目前国内金属3D打印技术领先者;武汉滨湖机电技术产业有限公司主要生产LOM、SLA、SLS、SLM系列产品并进行技术服务和咨询，1994年就成功开发出我国第一台快速成型装备-薄材叠层快速成形系统，开发生产的大型激光快速制造装备具有国际领先水平，2013年，成功开发出全球首台工作台面1.4m*1.4m的四振镜激光器选择性激光粉末烧结装备，标志着其粉末烧结技术达到国际领先水平。据中国3D打印技术产业联盟数据，2012年，我国3D打印市场规模约为10亿元，2013年翻一翻达到20亿元，2014年达到50亿元[6]。未来几年，中国3D打印市场每年将至少以1倍以上的速度成长，规模或达百亿元。

(四)应用取得突破，在多个领域显示了良好的发展前景

随着关键技术的不断突破，以及产业的稳步发展，我国3D打印技术的应用也取得较好进展，已成功应用于设计、制造、维修等产品全寿命周期。一是在设计阶段，已成功将3D打印技术广泛应用于概念设计、原型制作、产品评审、功能验证等，显著缩短了设计时间，节约了研制经费。在研制歼-

15、歼-16和歼-31等战斗机过程中，利用金属3D打印快速制造钛合金主体结构，在一年之内连续组装出多款飞机进行飞行实验，显著缩短了研制时间[7]。运-20在做首飞前的静力试验时发现起落架连接部位一个很复杂的结构件出了问题，需要更换材料，重新加工。采用3D打印技术，在很短的时间内生产出了需要的部件，保证了试验如期进行。二是在制造领域，已将3D打印技术应用于飞机紧密部件和大型复杂结构件制造。我国国产大型客机C919的中央翼根肋、主风挡窗框都采用3D打印技术制造，显著降低了成本，节约了时间。C919主风挡窗框若采用传统工艺制造，国内制造能力尚无法满足，必须向国外订购，时间至少需要2年，模具费需要1300万元。采用激光快速成形3D打印技术制造，时间缩短到2个月内，成本降低到120万元。三是在维修保障领域，3D打印技术已成功应用于飞机部件维修。当前，我国已将3D打印技术应用于制造过程中报废和使用过程中受损的航空发动机叶片的修复，以及大型齿轮的修复。以大型舰船伴随保障为背景的3D打印技术973项目成功立项，将对3D打印应用于伴随保障的重大基础问题进行研究。

二、我国3D打印技术发展面临的环境 随着技术的不断发展及广泛应用，3D打印技术受到越来越多的重视，我国3D打印技术发展的机遇和挑战并存。

(一)我国已对3D打印技术高度重视与大力支持，为3D打印技术发展提供了有力的政策支撑环境

当前，我国正大力推进经济发展模式转型，高端制造业成为工业发展的重要方向，3D打印已经开始受到国家的高度重视，3D打印技术发展已被提升到国家战略层面，有关部门正在制定支持3D打印产业发展的专项政策。2013年国庆前夕，中共中央政治局以实施创新驱动发展战略为主题开展第九次集体学习，学习期间，中央领导专门考察了中关村与3D打印相关的研发和生产企业，表明我国上层开始重视3D打印技术的发展。科技部最新制定的《国家高技术研究发展计划》、《国家科技支撑计划制造领域2014备选项目征集指南》中，也明确提出系列支持3D打印技术发展的政策，提出把“3D打印关键技术、装备研制聚焦航空航天、模具领域的需求”作为重点研究，力求突破3D打印制造技术中的核心关键技术。此外，国家在《2013年产业振兴和技术改造专项重点专题》，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，《国务院关于印发工业转型升级规划(2011-2015年)》，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，《高端装备制造业“十二五”发展规划》等文件中，都提出要加大对3D打印技术的支持力度。随着党和国家的高度重视，必将带动全社会对3D打印技术的重视，政府和企业对3D打印技术的研发投入也必将大幅增长，为我国3D打印技术的发展提供良好的条件，吸引越来越多的科技工作者投身于3D打印技术的研究，快速攻克制约3D打印技术发展的技术瓶颈，为我国3D打印技术的发展提供不竭的动力。

(二)我国已具备良好的技术基础，为3D打印技术发展与应用奠定了坚实的基础 经过多年的发展，我国的3D打印技术已具备较好的基础。世界上，3D打印技术仍处在技术发展初期，我国与技术先进国家的差距较小，为我国3D打印技术发展提供了难得的历史机遇。从上世纪末开始3D打印技术研究，经过多年的积累，形成了一批稳定的研究机构和专家队伍，突破了一批关键技术，建成了一批重要的研究基地，创建了一批产业公司，我国3D打印技术发展已经具备赶超发达国家的技术基础。北京航空航天大学、西北工业大学的金属材料激光快速成形技术攻克了长期制约金属材料3D打印的关键技术问题，成功应用于航空领域，技术水平居世界领先地位，为下一步发展奠定了技术基础。北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学和中航工业北京航空制造工程研究所等高校和科研结构形成了一批高水平专家队伍，为下一步发展奠定了人才基础。北京隆源自动成型系统有限公司、北京太尔时代科技有限公司，西安铂力特激光成形技术有限公司、华曙高科和武汉滨湖机电技术产业有限公司等3D打印公司形成了自己的产品特色，业务稳步增长，为3D打印技术的产业化发展奠定了产业基础。发达国家3D打印技术仍不成熟，为我国3D打印技术留下了赶超的时间窗口。总体上，3D打印技术仍处于技术积累期，尚有大量核心关键技术待攻克和突破，整体技术水平还有待提升，产业模式还有待拓展，相对传统高级制造业，发达国家在技术上领先幅度并不大，为我国赶超世界先进技术水平留下了机会。 (三)我军武器装备发展模式正在向自主创新转变，对3D打印技术的发展提出了迫切需求

当前，新一轮工业革命已经吹响了号角，新型数字化制造特别是3D打印技术的发展为新工业革命的即将来临提供了无限遐想，我国正在按照国防和军队现代化建设“三步走”战略构想，加紧完成机械化和信息化建设双重历史任务，国防科技和武器装备的发展模式正在由跟踪模仿向自主创新转变，对3D打印技术的发展提出了迫切的需求。3D打印技术是满足武器装备研制对快速制造需求的有效手段。近年来，新型武器装备的研制显著提速，仅仅在航空领域就有歼-20、歼-

15、歼-

31、运-20等多种型号军用飞机在同步研制。复杂武器装备研制是一个重复迭代过程，每一轮设计调整到实验都需要制造原型机，传统制造方式需要制造模具，时间长、花费多，常常造成新型武器装备研制周期长、成本高。3D打印技术可直接根据数字化设计制造零件，可以大大节约样品制作时间，极大地缩短产品的研制周期，降低研制成本。3D打印技术是满足高性能武器装备生产对复杂结构制造需求的有效手段。3D打印技术几乎可以成型任意形状的零件，特别适用于制造具有复杂内部结构的零件，如制造复杂的钛合金结构部件，具有复杂内部冷却通道的航空发动机涡轮叶片，内部材料和结构复杂的坦克装甲等关键武器零部件。

(四)发达国家大力发展3D打印技术，对我国3D打印技术的发展提出了严峻的挑战 近年来，美、英、日等发达国家高度重视3D打印技术，大力推进3D打印技术发展，技术研发与产业应用不断取得重要进步，有进一步拉大与我领先优势的趋势，我国3D打印技术面临严峻挑战。一方面，美国、英国等将3D打印技术列为国家重点发展技术，集全国之力进行发展，抢占发展先机。2012年，美国在重整制造业计划中将3D打印技术列为重点发展的11项技术之一，并作为其“全美制造业创新网络”首家研究中心的主要研究方向[8]。英国技术战略委员会也在“未来的高附加值制造技术展望”中，将3D打印增材制造作为提升国家竞争力，应对未来挑战的22个应优先发展技术之一。2013年1月，英国、德国、法国、意大利的产业界、学术界和政府间组织联合启动投资2千万欧元的欧洲3D打印技术研究计划，研究利用增材制造原理快速加工无缺陷零废料的大尺寸金属零件的技术，这是目前欧洲在3D打印领域最大的研究合作机构和计划。2014年，日本投入3960万美元启动国家3D打印项目，开展3D打印设备和精密3D成形技术的研发。另一方面，美国等发达国家的3D打印技术研究取得重要进展，技术成熟度及性能显著提升。2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件。3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。美国太空制造公司的太空3D打印技术已具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014年向国际空间站运送了首台3D打印机[8]。最后，欧美已形成了包含材料制备、软件开发、装备生产和应用服务等相对完整的产业链条，领先的产业格局基本形成。美国3D systems、Stratasys公司、德国EOS公司的营业收入遥遥领先，已形成了寡头垄断的市场竞争格局。2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，其中美国和欧洲占据了25亿美元。按国家统计工业级3D打印机数量，美国占38%，日本占9.7%，德国占9.4%，我国仅占8.7%。随着3D打印技术的发展与广泛应用，我国传统制造业优势将不复存在。如果我国不能抓住3D打印技术发展机会，我国的制造业将面临严峻的挑战，美国甚至称“技术进步将使中国的制造业像过去20年里美国制造业那样迅速衰落”。

三、启示建议 着眼我国国情、军情，以及3D打印技术发展现状，为加快推进3D打印技术的发展与应用，要加强组织管理，开展基础研究和标准规范研究，加强3D打印材料和软件技术研发。

(一)加强组织管理，为3D打印技术发展与应用创造政策支撑条件

3D打印技术发展与应用涉及技术广、覆盖领域宽、影响范围大、特别是对现代工业体系和制造领域影响显著，必须坚持创新驱动发展战略，加强管理和顶层设计，为我国3D打印技术发展与应用的科学有序展开奠定基础。一是要从国家层面重视对3D打印技术发展的规划设计，做到统一发展规划、统一资源配置、统一技术体制、统一基础设施建设，确保3D打印技术发展与应用的科学实施，防止规划乱象，标准不一。二是要突出需求牵引，深入分析我国3D打印技术发展与应用的目标、方向和重点，坚持把技术应用好作为衡量技术发展的基本准则，把实现应用的社会效益、军事效益和经济效益作为核心目标，切实提高3D打印技术水平。三是要深化系统管理，充分考虑3D打印技术发展政策、产业发展政策、财税支持政策等因素，运用系统管理的理论与方法综合全面地对3D打印技术发展与应用的相关要素实施最优化配置和前瞻规划。

(二)开展基础研究和技术标准规范研究，为3D打印技术发展与应用提供基础支撑

基础研究和标准规范研究是推动3D打印技术发展和应用的根本保证，应在国家和军队数字制造发展计划框架下，加强制造原理、方法、工艺、材料、标准和规范等方面的研究创新，为3D打印技术发展与应用打下基础。一是开展基础研究，进一步提高3D打印的成形精度与打印速度，研发出更多可供3D打印的材料，使3D打印技术能够更好地满足应用需求。开展3D打印制造原理、方法、工艺、设备的基础研究，加强粉末原材料、材料工艺、成形工艺等基础技术研究，进一步提升3D打印的精度和效率;开展各类3D打印工艺的机理分析，提供工艺优化基础，支持与3D打印配套的工艺基础理论研究;开展激光器、振镜、光路系统等关键零部件的研发与制造。二是研究共性技术与标准规范，推动技术标准规范军民一体化，加快3D打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用。研究3D打印的创新原理、方法及其相关支撑技术，包括新材料、新器件(激光器)、智能控制、设计软件、网络数据库、新成形原理、新的设备工艺、巨型结构3D打印、微纳3D打印、太空环境制造等共性技术;为支撑3D打印共性技术快速产业化，研究相关标准与规范，包括材料性能标准、软件接口标准、制造质量标准、制造工艺规范和元器件性能标准等。

(三)加强3D打印材料和软件技术研发，满足打印需求

3D打印材料与软件技术的研发和突破是3D打印技术推广应用的基础，也是满足打印的根本保证。一是加强材料的研制，形成完备的打印材料体系。近几年，3D打印材料发展比较快，2013年，金属材料打印增长了28%，2014年达到30%多，约占3D打印材料的12%，金属材料以钛、铝、钢、镍等合金为主，钛合金、高温合金、不锈钢、模具钢、高强钢、合金钢、铝合金等均可作为打印材料，已经广泛应用于装备制造和修复再制造。但目前还没有一个3D打印材料体系，现有材料还远不能满足3D打印的需求。用于激光立体成形的材料主要是金属惰性材料，下一步需要尝试其他活泼的金属材料打印。未来成形材料发展要实现主要金属材料3D打印的工艺与技术基本成熟，并广泛应用于航空航天结构件及发动机关键件的制造;3D打印材料要成功扩展至陶瓷及复合材料，并着手探索智能材料与结构、生物材料与活性器官再造等打印材料的研发。二是要推进我国数字化、智能化水平，加强3D打印软件设计技术研发。3D打印的核心就是数字化驱动，由于数字化技术近来发展很快，所以带动了3D打印的发展。我国3D打印的数字化程度还不高，软件基本用的是国外的。将来3D打印能否走向太空，数字化水平很关键，这也是技术走得更远的核心内容。目前有必要对由3D打印引发的设计体系、设计方式和设计技术本身的发展进行改进，包括对软件技术的研发。

第三篇：关于3D打印技术研究课题的策划报告

3D打印技术研究课题

策划报告

参与人员：

一、课题表述 3D打印机这个名称是近年该产品来针对民用市场而出现的一个新词，其实在专业领域他有另一个名称“快速成形技术”，即利用三维CAD的数据，用激光熔融的方法将材料逐层堆积得到实体原型。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。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育等方面均得到了广泛运用。

二、研究目的和意义

全球工业正在经历第三次工业革命，与以往不同，本次革命对制造业的发展也会带来巨大影响，其中一类最重要的新技术就是快速成型技术。今天的3D技术，主要特指基于电脑和互联网的数字化立体技术，是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置，把计算机上的蓝图变成实物，在成本、速度和精确度上都远胜于传统制造技术，其工作原理是将一项设计物品转化为3D数据，然后采用分层加工、叠加成形，即通过逐层增加材料来“打印”成3D实体。与传统的材料加工技术完全不同，3D打印具有仿真性强、速度快，价格便宜，高易用性等优点，是对传统制造业的颠覆性变革。有人甚至将3D打印机看成是第三次工业革命的影子，与蒸汽机和电力相提并论。 从消费市场来说，传统的大批量制造生产几乎能提供任何人们最基本的吃穿住行玩等消费产品，但是这些产品都是标准化的，千篇一律，手工生产的个性化产品虽然地道，品质精良，内涵丰富，但耗时巨大。而3D打印技术既可满足人们越来越苛刻的对个性化产品的追求欲，还可大大提高生产效率。

从人力成本来说，一个技术工人可看管数台3D打印机，就像纺织工人看管织布机一样，而劳动效率却有数倍甚至数十倍的提高。正因为如此，美国政府捷足先登，将3D打印揽入怀中，试图成为新一轮工业革命的领导者，继续占据全球工业的制高点。 鉴于这一技术的现有的发展成果及其广阔的发展前景，我们确立了我们的课题，即针对这一技术做出相对较为深入的研究，通过对这一技术的了解，学习掌握相关知识。我们试图通过对3D打印技术的研究，全方位的认识，理解这种技术。初步掌握与3D打印有关的理论知识。在这个基础上，我们可以对比国内外的研究成果，指出国内3D打印研究的不足并提出建议，预测3D打印技术的未来发展方向。

三、国内外研究成果

医疗行业

一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。 文物行业

美国德雷赛尔的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。 建筑设计

在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。 制造业 微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。 食品产业

研究人员已经开 始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。

四、优势劣势

作为一种新兴的制造技术，3D打印技术有着其他任何制造技术无法媲美的优势，以下只列举其中几条：

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：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

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：减少废弃副产品

与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

当然，作为一种尚不成熟的技术，3D打印技术也不可避免得存在着诸多弊端： 劣势1：材料的限制

虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印， 但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。:研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。 劣势2：机器的限制

3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难 以实现了。这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决才行。 劣势3：知识产权的忧虑

在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权的关注变得越来越多。3D打印技术也会涉及到这一问题，因为现实中的很多东西都会得到更 加广泛的传播。人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是我们面临的问题之一，否则就会出现泛滥的现象。 劣势4：道德的挑战 道德是底线。什么样的东西会违反道德规律是很难界定的，如果有人打印出生物器官和活体组织，在不久的将来会遇到极大的道德挑战。 劣势5：花费的承担

3D打印技术需要承担的花费是高昂的。第一台3D打印机的售价为1万5。如果想要普及到大众，降价是必须的，但又会与成本形成冲突。

五、技术原理

3D打印技术(即快速成型技术)的基本原理简而言之即是"分层制造，逐层叠加"， 类似于数学上的积分过程，其层数需要根据打印机的技术指标它所支持的“层厚”来决定。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"，因此得名“3D打印机”。 每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。 打印耗材由传统的墨水、纸张转变为胶水、粉末，当然胶水和粉末都是经过处理的特殊材料，不仅对固化反应速度有要求，对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。目前的3D打印技术能够实现600dpi分辨率，每层厚度只有0.01毫米，即使模型表面有文字或图片也能够清晰打印。当然受到喷印原理的限制，打印速度势必不会很快，目前较先进的产品可以实现每小时25毫米高度的垂直速率，相比早期产品有10倍提升，而且可以利用有色胶水实现彩色打印，色彩深度高达24位。

下面举例说明3D打印原理(以苹果为例) 1.使用CAD或其他电脑程序设计一个苹果

2.电脑被告知苹果的尺寸，形状，材料，进行定制

3.电脑发送信息发给一台可以使用塑料和橡胶类原材料的3D打印机 4.系统控制激光器(或喷嘴)在第一层截面图的范围烧结液体原料

5.一台紫外线照射灯打开，把液体干燥成固体，这些固体是苹果的第一层(即最底层) 6.放置第一层的打印机托盘下降

7.第二层液体被放置在第一层上，让它凝固 8.这个过程一再重复，直到苹果完全形成

六、研究计划

(计划结题时间4-6个月 自本周至明年5月结题) 第一阶段(2013.12.1-2013.12.5) 讨论确定研究课题并制定研究计划

第二阶段(2013.12.9-2013.12.31) 以对3D打印机的研究为契机，了解相关的边缘知识。主要包括通过查阅有关书籍及借助网络对过去的普通打印机的原理的学习。了解喷墨打印机的压电喷墨技术和热喷墨技术以及激光打印机的激光打印机的核心技术即电子成像技术。并进行组内交流讨论

第三阶段(2014.1.18-2014.2.28)

第一部分：深入了解3D打印机的相关知识，针对目前所存在的3D打印机的六种工艺(包括 SLA工艺：光固化/立体光刻

FDM工艺：熔融沉积成形

SLS工艺：选择性激光烧结

LOM工艺：分层实体制造

3DP工艺：三维印刷

PCM工艺：无木模铸造)进行初步了解

要求组员做出相关记录及学习结果，并准备组内答辩

第二部分：要求每个组员自学CAD的相关使用方法，为后续制作CAD模型进行初步准备。要求掌握平面绘图、三维绘图、绘图辅助工具、编辑图形、标注尺寸、书写文字、图层管理等多项CAD基本功能

第四阶段(2014.3.1-2014.3.18)组员之间互相交流学习寒假的学习成果和经验体会，针对组内成员的学习记录及结果进行互相提问和答辩，最后共同总结出一份有关研究成果的初步报告

第五阶段(2014.3.19-2014.4.18)组员利用所学的CAD技术合作完成一个较复杂的实物3D模型并在研讨课上进行成果展示

第六阶段(2014.4.19-2014.5.10)完成结题论文，对5个月以来的学习成果和学习经验进行总结

第四篇：3D打印技术制造金刚石工具的可行性研究

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，经过20年的发展，3D打印技术已经取得极大的进步，并开始广泛应用在各个领域。3D打印的特点是即使是很复杂的东西都可以神奇般的制造出来，只要使用与模型相同的材质，就能打印出和模型几乎完全一样的东西，所以它是一种实实在在重要的制造技术。其他的制造技术即使经过了数十年的努力也不过还是在集合复杂度上略有进展——而3D打印技术却可以轻而易举的解决这个问题。金刚石工具作为现今最为有效的硬脆材料加工工具，被广泛用于民用建筑与土木工程、汽车工业、交通工业、地勘与国防工业等领域和其它现代高新技术领域，而且还逐渐开始应用于宝石、医疗器械和复合非金属硬脆材料等众多新领域，社会对金刚石工具的需求量正在逐年大幅增加[1]。因此，3D打印技术制造金刚石成为了一个新的研究方向。本文对3D打印技术制造金刚石工具的可行性进行了研究，以期为这方面的研究提供一些参考。

1.3D打印

3D打印，即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。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正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、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、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、强制以及其他领域都有所应用[2]。

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，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，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

3D打印技术本身并不复杂，关键是使用的耗材。3D耗材的扩展，决定了3D打印机的能力边界。然而就目前而言，3D打印的耗材并不广泛，主要有ABS塑料、PC工程塑料，以及金属粉末、木材、蜡、石膏粉等[3]。虽然3D打印机可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印， 但无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，3D打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。目前，研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，如掌握核心3D打印机技术的Objet公司，目前已经研究出可以使用的14种基本材料，并在此基础上混搭出107种材料。而两种或以上材料的混搭使用，使上色也成为现实。可以预见的是随着耗材的不断拓展，3D打印的应用会越来越广泛。

2.金刚石工具

金刚石工具是指用结合剂把金刚石(一般指人造金刚石)固结成一定形状、结构、尺寸，并用于加工的工具产品。广义地，金刚石研磨膏、滚压锯片、冷镶金刚石拉丝模、冷镶金刚石刀具、钎焊金刚石复合片刀具等，也都属于金刚石工具。

按照结合剂的不同，金刚石工具可分为以下几类：金属结合剂金刚石工具、电镀结合剂金刚石工具、树脂结合剂金刚石工具、陶瓷结合剂金刚石工具等[4]。金属结合剂工艺分为烧结、电镀和钎焊等几类。 1.金属结合剂金刚石工具

金属结合剂金刚石工具是以金刚石为切磨材料，以金属粉末为结合剂，利用粉末冶金的方法，经过压制成型、烧结以及必要的加工而成的一类制品。 2.电镀金属结合剂金刚石工具。

电镀金属结合剂金刚石工具是通过电镀的方法，经过金属电沉积过程，将一层至数层金刚石牢固地镶在金属基体上的一种制品。 3.树脂结合剂金刚石工具 树脂结合剂金刚石工具是以树脂粉为粘结材料，并加入填充材料，经过热压、硬化及机加工等工艺制成的、具有一定形状的金刚石磨削加工工具。 4.陶瓷结合剂金刚石工具

陶瓷结合剂金刚石工具是利用磨料(金刚石、碳化硅等)、玻料(硼酸、氧化锌、石英、云母等)、非玻料(粘土、A1：0，等)、着色剂(红色加Fe：0。、绿色加Cr20。等)、临时粘结剂(糊精、水玻璃、液体树脂等)混合物，经过成型、烧结、修整、修锐等制造工艺形成的一种金刚石磨削加工工具。

金刚石具有坚硬性，故制成的工具特别适合加工硬脆材料尤其非金属材料，如石材、墙地砖、玻璃、陶瓷、混凝土、耐火材料、磁性材料、半导体、宝石等;也可以用于加工有色金属、合金、木材，如铜、铝、硬质合金、淬火钢、铸铁、复合耐磨木板等。目前金刚石工具已广泛应用以建筑、建材、石油、地质、冶金、机械、电子、陶瓷、木材、汽车等工业。

3.3D打印技术制造金刚石工具的优缺点

利用3D打印技术制造金刚石工具在技术上已经能够实现，不同的金刚石工具可以运用不同的3D打印技术制造。本文以制造孕镶金刚石钻头为例，制造的整体过程如下：

1.三维设计

先通过计算机上的建模软件建立所需的金刚石钻头的模型，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

2.切片处理

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的合金材料将这些截面逐层地打印出来形成胎体，逐层打印时合理的加入金刚石颗粒。

3.激光烧结

为了能够使各层形成一个牢固的整体，在各层截面可以采用直接金属激光烧结的方式，从而制造出一个实体。

与传统的金刚石工具制造方法相比，3D打印技术制造金刚石工具有着极大的优点，也有着致命的缺点。

优点： 1. 制造复杂结构的金刚石工具不额外增加成本; 2. 制造金刚石工具时可以一步到位，不需多道工序; 3. 可以按需打印，零时间交付;

4. 一台3D打印机可以制造多种形状的产品; 5. 降低了对工人技能的要求。 缺点：

1. 成本高昂。3D打印所需的材料价格较高，3D打印机也较昂贵，致使成本高昂。

2. 质量达不到要求。由于3D打印制造的金刚石工具并非整体成型的，所以金刚石工具的力学物理性质达不到要求，使用时损坏率极高。 3. 难以量产。3D打印制造金刚石工具只能一个或几个同时制造，难以大批量生产。

4. 精度较低。很多金刚石工具对精度的要求很高，而现今常用的3D打印技术精度只能达到0.1毫米，难以达到要求。

因为以上的几个缺点，所以以现在的3D打印技术只能造出少量可看不可用的金刚石工具。

4.结论

3D打印技术制造金刚石工具是难以应用于大量生产，而且受材料的限制，可以生产的产品很少，即使生产出来的产品，质量也难以保证。但随着3D打印技术的进步，3D打印技术制造金刚石工具终将实现。尽管如此，3D打印技术制造金刚石工具也更适合一些小规模制造，尤其是高端的定制化产品，而非大批量的生产中。

参考文献

[1] 金刚石工具.泉州众志金刚石工具有限公司 [引用日期2013-06-3]. [2] 全球首款3D打印金属手枪问世 成功发射50枚子弹.新华网 .2013-11-9 [引用日期2013-11-9]. [3] 蔡雯. 3D打印全靠有米下锅. 科学24小时，2013, 7. [4] 张绍和.金刚石与金刚石工具.长沙：南大学出版社，2005.

第五篇：3D打印技术

3D打印技术，即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打印是一种“自下而上”分层添加材料实现快速产品制造的技术，具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。

一、3D打印基本概念

传统的切割加工是利用刀具进行材料的切削去除，是一种“自上而下”的加工方式。这种加工方式是从已有的零件毛坯开始，逐渐去除材料实现成型，因此受到刀具能够达到的空间限制，一般很难制造出复杂的三维空间结构。

3D打印技术的成型原理与上述传统方法截然不同，采用材料逐层累加的方法制造实体零件，相对于传统切割加工技术，该方法是一种“自下而上”的制造方法，3D打印的实质是增量制造：“通过增材制造，从零件的电子、数字化描述直接到最终产品的过程”。因此3D打印技术具备两个本质特征：一是数字化模型直接驱动，将产品的数字化模型输入3D打印机，就能直接“输出”最终产品，实现快速制造，不需要制模或铸造;二是基于离散-堆积成型原理的逐层材料添加方式，可成型任意复杂空间结构，具有很高的柔性。

-1-

二、3D打印技术的优缺点。

优点：①不需要机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率;②通过摒弃传统的生产线，有效降低生产成本，大幅减少材料浪费;③可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让产品设计更加随心所欲;④可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。

缺点：可打印的原材料少、打印精度低、速度较慢、打印成本高。

(3D打印原材料：工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属、陶瓷等)

三、3D打印军事应用现状

(1)2012年，美国Sciaky公司的新型电子束3D打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德•马丁公司准备将其用于生产F-35战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件，前期检测全部达到要求。

(2)3D Systems公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印F-35战斗机和其他武器系统的3D打印机。

(3)美国太空制造公司的太空3D打印技术的成熟度达到6级，具备在太空中的模型或样机演示能力，2012年11月获得NASA的第二阶段合同，进一步将技术成熟度提升到8级，完成实际系-2- 统并通过试验和验证，最终具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014年向国际空间站运送首台3D打印机。

(4)早在2002年，美国就开始将激光成型钛合金零件装上战机试验。但由于无法解决制造过程中钛合金变形、断裂等技术难题，美国始终只能生产小尺寸钛合金部件和对钛合金零件表面进行修复。近年，美国积极开展3D打印技术生产大型钛合金部件的研究。美国军方和军工企业正与3D Systems和Sciaky等3D打印技术公司合作，推进大尺寸钛合金3D打印技术在战斗机制造上的应用。

(5)2013年，美国开始使用3D打印技术批量生产喷气发动的燃料喷嘴。在3D打印技术应用于轻型物质制造方面，2013年，美国“固体概念”公司成功制造出世界上首支3D打印金属手枪，能够连续发射50发子弹并保持完好。

(6)维修方面，美国已开始部署基于3D打印技术的维修保障装备。2012年7月和2013年1月，美军部署了两个移动远征实验室，用于装备维修保障。此移动远征实验室是一个20英尺长的标准集装箱，可通过卡车或直升机运送至任何地点，利用3D打印机和计算机数字控制设备将铝、塑料和钢材等原材料加工成所需零部件。此举可以在战场快速生成需要的零部件，甚至快速设计和生产急需的装备，实现及时精确保障。此外，美国陆军开发了一种轻质便宜的3D打印机，可以放到背包中，用于在

-3- 战场中快速、便宜地制造替换零件。

(7)我国的激光快速成型3D打印技术已达到世界领先水平。北京航空航天大学已掌握使用激光快速成型技术制造超过12平方米的复杂钛合金构件的技术，并成功应用于武器装备研制，相关成果“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”获2012国家技术发明奖一等奖。西北工业大学掌握了一次打印超过5米长的钛金属飞机部件的3D打印技术。

(8)我国是世界上唯一掌握钛合金大型主承力构件激光快速成型制造技术并工程应用的国家。北京航空航天大学和西北大学的3D打印技术已成功应用于多个国产航空项目的原型机制造。我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框、大中央翼根肋，正在设计的新型战斗机的钛合金主体结构均采用激光快速成型技术制造。

(9)据报道，歼-10飞机研发用了近10年时间，而运用3D打印技术后，我国在3年时间内就推出了舰载机歼-15，直接跨入第三代舰载战斗机方阵。在我国国防科技装备领域，目前，3D打印技术已被全面应用于歼-20隐形战斗机和歼-31第五代战斗机的研发中。有外媒惊呼，3D打印机正在制造空军发展的“中国速度”。

加快3D打印技术的发展与应用是弥补我国当前武器装备设计、制造与维修保障能力的不足，提升研发效率，降低制造成本，提高维修保障时效性与精度的有效途径。我国3D打印技术在钛-4- 合金大型复杂整体构件激光成型等方向居于世界领先地位，但整体水平仍有很大的提升空间。应着眼武器装备长远发展，统筹规划，汇聚各方面力量推动3D打印技术的发展与应用，为实现“能打仗、打胜仗”的目标提供技术支撑。一是将3D打印技术作为我国制造业升级的关键，军民融合、整合资源，集全国之力进行发展;二是针对当前存在的问题，加强材料技术3D打印核心关键技术研究，改变我国核心关键设备受制于人的状况;三是积极探索3D打印技术在武器装备建设中的应用，以应用牵引技术发展方向与重点。

四、3D打印技术的实际应用

(一)开源3D打印枪支的例子

美国得克萨斯大学法律系的大二学生和一群自称分布式防御组织成员的朋友发起了一个项目，称为“维基武器项目”：设计出全球第一款可从网络下载蓝图的枪械，并能够完全利用RepRap这样的开源3D打印机制造出来，然后将之与世界共享。2012年7月，利用3D打印机制造的下机匣组装在一把实用的AR-15步枪上，试射了200发子弹，而下机匣部件未见任何磨损。下机匣尤其引起争议，因为法律上认定它是枪械的主体部件，其销售及分销是受到管制的。有了通过3D打印机制造的下机匣，枪械爱好者将能购买其他不受法律管制的部件并进行组装。2012年12月，对3D打印机出产的AR-15步枪进行了测试，在刚开始的测试射击中没有任何质量问题，但在第六次射击时，枪支三处

-5- 涌现分裂。

美国得克萨斯州奥斯汀，科迪﹒威尔逊(法律系25岁学生)演示一支3D打印手枪，可发射一枚子弹。除击针为金属，枪支全部部件为塑料。开源打印枪支使得恐怖主义和社会安全问题变得更为复杂，可能导致枪支泛滥，在政界和民间引发忧虑，因此美国国会众议员史蒂夫﹒伊期雷尔近来呼吁禁止制造3D打印枪。

此外，美国得州“固体概念”3D打印公司设计制造的世界第一把3D打印金属手枪，有30个零件，已经成功射出了50发子弹。该公司打印手枪的目的不是真的为制造手枪，而是要显示3D打印技术在强度和精度方面的技术进步。

(二)3D打印无人飞行器的例子

3D打印技术以其快速成型的特点在产品开发与优化方面具有明显优势。英国南安普顿大学设计和试飞了世界上第一架打印的飞机，采用EOSINTP730尼龙激光烧结打印机。由英国利兹大学学生设计的翼展1.5m的无人机在航展亮相，通过3D打印技术优化结构和空气动力学性能，而用其他方法就很难并且代价昂贵。美国空军也正在应用3D打印机制造无人飞行器。

(三)3D打印隐身斗蓬的例子

DARPA资助的麻省理工学院的3D打印项目之一是梯度折射率透镜(石英)的3D打印。梯度折射率的光学折射率呈梯度变化，其中折射率沿轴向变化的梯度折射率透镜用于消像差;折射-6- 率沿径向变化的梯度折射率光纤能够减少色散，用于提高传输信号的速率或通信容量。梯度折射率光学已经成为光学的新分支。隐身斗篷就是采用梯度折射率材料实现的，使入射光线在物体周围偏转并绕开实现隐身目的，是目前光学领域的一个热点，在国际光学权威期刊上多次相关论文。实现负折射率的唯一可能是通过超材料----一种人工材料，之所以具有特殊光或声波性能，不是因为其成分，而是因为其特殊结构，可用3D打印。

(四)3D打印弹头的例子

洛克希德马丁申请的打印弹头的专利，通过逐层添加熔融材料制造弹头结构，高能密度技术可以是激光、电子束、等离子体等，与高冷却速率结合制作均匀微结构，给料可以是丝状或粉末，添加过程中可变材料类型。

(五)3D扫描士兵制作修复假肢的例子

这也是美军计划的一个项目，在士兵投入战场之前对其进行三维扫描，用于3D打印符合士兵个人特性的修复假肢，以备服役期间伤残治疗之需。

(六)3D打印飞机零件的例子

飞机框架传统造工艺需要万吨级重型锻造装备、系列大型锻造模具等。传统制造工艺的材料加工量大，利用率低，加工周期长，成本高。

(七)医学辅助快速原型制造

例如，某患者颅底肿瘤位臵深，肿瘤与颈内动脉、视神经、

-7- 垂体柄等周边重要结构关系复杂，手术难度十分大。

湘雅医院神经外科，依据患者的CT和MRI(核磁共振)图像建立实际模型，用3D技术打印颅内复杂肿瘤原型，让医生在手术前充分了解脑内肿瘤部位周围组织的毗邻关系，在完整切除肿瘤的同时最大限度地保护肿瘤周围正常组织，降低了并发症和后遗症的发生率。2014年1月4日，手术成功。

(八)人体骨骼快速制造

2012年，生物打印技术的发明者之一，曼彻斯特大学教授Brian Derby在《科学》杂志上发表了综述，阐述了用打印技术生产细胞和组织结构的新进展，以及该技术用于再生医学的前景。Derby教授介绍了利用3D生物打印实验，制造多孔结构骨骼“脚手架”用于生长细胞，之后植入人体。这种“脚手架”包含数千微孔，其中注入造骨细胞。造骨细胞培育生长的同时，“脚手架”生物分解消失。目前世界各地都在对这一技术进行临床试验。

另一种成功的应用是制造钛合金骨骼支架，如3D打印下颚，又如瑞典的一个女孩通过3D打印髋骨移植，摆脱了轮椅。

(九)生物活体器官重造

生物打印(Bioprinting)是用计算机辅助转移工艺制造和装配活性与非活性材料成为给定的二维或三维组织，以生成生物工程结构，可用于再生药物、药理学和基本的细胞生物学研究。

3D生物打印技术利用类似喷墨打印机的技术，直接生成三-8- 维生物组织，3D生物打印机有两个打印头，一个放臵最多达8万个人体细胞，被称为“生物墨”，另一个可打印“生物纸”所谓生物纸其实主要成分为水的凝胶，可用作细胞生物的支架3D生物打印机使用来自患者自己身体的细胞，所以不会产生排异反应。生物打印机与普通3D打印机的不同之处在于，它不是利用一层层的塑料，而是利用一层层的生物构造块，去制造真正的活体组织。

五、部分领域3D打印发展趋势

(一)工业3D打印

1、在生产流程和生产工艺环节对传统传统制造业的全面渗透和覆盖，特别是在铸造、模具行业广泛应用。

2、稳定性、精密度将会大幅提高，材料可以全面突破，成本大幅降低、打印速度将显著提高。

(二)生物3D打印

1、将不再局限打印牙齿、骨骼修复等方面，打印部分人器官将成为常态。

2、整体应用推广将取决于各个国家的政策支持程度。

3、复杂的细胞组织和器官打印还有很多技术难题需要突破。

(三)军事3D打印

1、将实现武器装备半成品制造、现场塑造和部署，根据周围环境和作战目标，优化调整设计参数，实现环境自适应，大大提高武器装备的环境适应能力、伪装效果和作战效能。

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2、小批量制造成本低、速度快，显著降低武器装备特别是复杂武器装备的制造风险、缩短研发周期。

3、具备快速制造不同零部件的能力，可有效提升武器装备维修保障的实时性、精确性。

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六、3D打印世界之最

世界最大3D打印机：图中这套巨无霸设备名为“big delta”，它高达12米，是专门为进行大型物体3D打印而建造的大型3D打印机。

世界最小3D打印机：这款全球最小的3D打印机名为XEOS，由德国工业设计师Stefan Reichert打造，它的长、宽、高分别为47cm、25cm、43cm，是目前世界上体积最小的3D打印机。

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世界首款3D打印跑车：来自美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。整车质量仅为1400磅(约合0.64吨)，从静止加速到每小时60英里(96公里)仅用时两秒，轻松跻身顶尖超跑行列。

世界首架3D打印飞机：“SULSA”是一架使用3D打印机制造的小型无人驾驶飞机，翼展2米，最高时速可达100英里，还配备有微型自动驾驶系统，可用于巡航。这是世界上第一架“3D打印”飞机，日前已试飞成功。 -12-

世界最小3D打印魔方：这款微型3D打印魔方来自俄罗斯的艺术家格里高列夫之手，堪称世界上最小的魔方，这个魔方的边长只有1厘米，打破了原为1.2厘米的世界纪录。

世界首款3D打印汽车：Urbee 2是世界上首款完全使用3D打印技术制造的汽车，该车配备三个车轮，动力为7马力(5kW)，采用后轮驱动，电力驱动模式下Urbee 2的行驶里程可以达到64公里。

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全球首座3D打印桥梁：由MX3D公司负责开发和设计、由Heijmans完成的全球首座3D打印桥梁坐落在在荷兰阿姆斯特丹运河上，这座桥梁将通过3D打印机器人来完成，并且由运河的一端慢慢向另一端完成，而并不像传统建桥方式那样两端同时进行。

世界首座3D打印办公楼：据俄罗斯今日电台网站6月30日报道，迪拜宣布将建造世界上首座3D打印办公楼。计划建造的3D打印办公楼为单层建筑，占地面积约为2000平方英尺(约185平方米)。它将被20英尺(约合6米)高的打印机层层打印出来，办公楼内部也是由3D打印而成。

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世界首辆3D打印摩托车：在今年的加州RAPID 2015展会上，出现了全球首辆全功能的3D打印摩托车。除了发动机、各种电子器件、传送带、制动系统及一些螺栓之外，这辆摩托车的其它部分全部都是用ABS塑料打印而成的，而且它可以承载两位成人骑手的重量。

世界最小的3D打印电钻：来自新西兰的技术宅Lance Abernethy做了一个全世界最小的电钻，关键是这个电钻是能用的。整个电钻的内部结构工作原理和普通电钻一模一样，唯一不同的是这个电钻的钻孔是毫米级的。

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世界最大3D打印建筑结构：2015北京国际设计周，来自北京市侨福芳草地展区中庭空间的VULCAN，成为世界最大的建筑学意义上的三维打印构筑物，获吉尼斯世界纪录。

世界首台3D打印空调：近日，海尔集团在上海举办的世界家电博览会上展示了一款3D打印出来的空调。海尔宣称，这是世界上首款3D打印空调机。这款空调采用了可定制的3D打印部件，可以让消费者实现功能和装饰上的完美协调。该产品售价6395美元，至于产品的上市日期和定价等细节，海尔暂时还没有透露。

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全球首款3D打印金属手枪：美国一家公司制造了全球首款3D金属手枪，而且已经成功发射了50发子弹，手枪的设计出自经典的1911式手枪，这是全球首支利用3D技术打印出来的金属枪。

世界首支3D打印步枪：枪械发烧友“HaveBlue”于2015年在其博客中公布了其3D打印步枪(A.22 步枪)的文档说明书(通过 AR15 论坛)，文档中详细说明了打印经历和测试结果，成为首个成功打印出3D步枪并试枪成功的例子。

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全球首个3打印酒店：菲律宾一家名为Lewis Grand Hotel(刘易斯大酒店)的四星级酒店宣称要3D打印世界上第一个商业建筑——别墅式酒店。里面的管道、家具、卫浴等生活设施也都是3D打印的，据说这是世界上首个3D打印酒店式别墅。目前这个项目没有完工，其3D打印机仍处于工作状态。

世界首枚3D打印火箭：新西兰一家名为Rocket Lab的私人航天公司开发出了世界上第一个3D打印的电池动力火箭Electron!堪称人类火箭技术发展史上的一大进步，其搭乘的Rutherford发动机的主要部件几乎都是3D打印制造的。

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