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1、多媒体技术结课论文3D 打印技术在制造领域的应用2015.6.9众所周知，18 世纪晚期，工业革命让大规模制造物品成为现实，并且以前所未有的方式改变了全球的经济和社会格局。现在，一种新的生产制造技术3D 打印技术的横空出世，或许可以和工厂的的出现相媲美。其实所谓“3D 打印机”，就是可以直接制造出真实的物体的设备。3D 打印的原理很简单，它首先将物品转化为 3D 数据，然后再逐层分切打印，打印时，3D 打印机用粉末而非纸张进行打印。粉末会一层层地被特殊的胶水粘合，按照不同的横截面图案固化，并一层层叠加，像做蛋糕那样创建三维实体，最终一个完整的物品就会在粉末槽成型。“3D 打印”是添加剂制造技术
2、的一种形式，其概念脱胎于快速成型(Rapid Prototyping) 技术，后者早在 20 世纪 80 年代便已广泛应用于航天、医疗和汽车工业的模型制作。相对于其他的添加剂制造技术而言，3D 打印机具有速度快、价格便宜、高易用性等优点。例如，卫星每减重一公斤，即可减少 10 万美元的发射成本。通过运用点对网的 3D 打印零件，卫星的减重比已达到 30%，远超过去减重 13%的期望。既然早在上世纪 80 年代就已出现 3D 打印机了，可为什么迟至近几年才有了大规模的应用呢？3D 打印技术在原理上来说并不稀奇，只是在平面的 X 轴和 Y 轴之上增加了一个 Z 轴，用材料堆积的方法实现了立体的一次
3、打印成形。不过新观念和技术相较于传统未必一定具有优势，往往其他关联技术的发展才是开启它巨大潜力的钥匙。但是真正让这些优势转化为现实的却是计算机技术、材料技术和网络这三把钥匙。凭借着三把钥匙，3D 打印技术将带给人类社会一个崭新的未来 1。根据 3D 打印机的原理，只要电脑能设计出的产品，或是对原来的物体进行 360 度的扫描，打印机就能根据这些数据把它制作出来。对设计师来说，3D 打印这一解决方案简直就是救星，原来需要数天才能到手的实物模型，数小时便能制作成型，若要进行修改，也可随时打印。在成熟的计算机技术和大型设计软件配合上 3D 打印机，可以丝毫不差呈现出全尺寸的设计模型，若要修改，只需在
4、电脑文件上调整，然后重新打印，设计成本大为降低，从创意到定型，时间也大约只有原来的四分之一。以前很多传统工艺难以生产的复杂零配件，现在都可以低成本制造了，而且一些高难度设计也变得异常简单。而这还只是 3D 打印机给传统工业带来革新的一个侧面。如今，3D 打印的业务已在世界各地蓬勃发展，从飞机到自行车，从日常用品到牙齿模型，包括在福特、保时捷、摩托罗拉、诺基亚、惠普、成飞等企业的研发生产线上，都能看到 3D 打印机的身影，但离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。一些公司已经开设了一些小规模的店内 3D 大头照拍摄馆。未来，简单的 3D 扫描设备和软件将会越来越普及，而且消费成本也会越来越便
5、宜，甚至还会出现一些便携式的 3D 拍摄设备。还将有更多的新企业开设 3D 拍摄馆。更为重要的是，这些扫描和拍照工具将为大规模的定制化拍摄奠定基础，并能够让更多的公司为每一个客户拍摄定制化的 3D 照片 2。此外，很多公司的设计师们也开始用 3D 打印机做一些有趣的事情，比如耐克、阿迪达斯、彪马等公司用它们打印新的运动鞋模型。使用了 Objet 公司的 3D 打印机的彪马称，这项新技术使他们的原型生产时间减少了 75%，从 4 天减少为 1 天，还省去了与较远的工作点沟通的麻烦，减少了设计的错误 3。而汽车生产商捷豹路虎则表示，其树脂基部件已有超过三分之一由 Objet 公司的 3D 打印机生
6、产。其实，大家能看到的 3D 打印应用只是冰山一角，某些军工领域早已成熟运用。而且诸如航空航天等高精尖领域对成本不敏感，零件多为单次小批量生产，恰恰与 3D 打印的特性相符。然而，3D 打印材质的可用性目前还存在很大局限性。Xerox PARC 的研究人员正在致力于可打印电子产品的研究，如随机存储器，传感器以及晶体管等，这就意味着消费者可以根据的自己设计来打印手机或者 MP3 播放器之类的电子产品。同时，3D 打印材料性能还不够稳定，且材料的通用性比较差、成本高企，也制约着 3D 打印在工业领域应用的进一步发展。以目前在 3D 打印工业应用中使用最多的钛合金材料为例，其一公斤的价格为 2000
7、3000 元左右。这意味着做一个 20 多公斤的零件要花5、6 万元，而传统铸造业只用花几百元就能搞定，这使得 3D 打印在“高精尖”以外的其他工业领域难以推广开来。材料成本为何居高不下？业内人士指出，业内对 3D 打印材料的投入还不够，材料市场尚未形成充分竞争。剑桥大学工程学院制造研究所教授 Bil ONeil 表示，不少 3D 打印巨头又做设备又做材料，材料与设备捆绑式销售，相对封闭的系统导致成本难以降下来 4。不可否认的是，大批量生产几乎能够提供任何人们想要的产品，但是这些产品都是标准化的，比较千篇一律，在个性化方面已经无法满足人们日益增长的需求，在机械化和流水线盛行的年代，人们对于手工
8、的东西都有特别的亲切感，所以我们仿佛有回到手工制造时代的趋势，无疑，手工生产的东西更加“地道” ，品质精良，内涵丰富，但是手工制造耗时巨大，所以 3D 打印技术出现的正是时候，一方面既可以满足人们对个性化产品的追求欲，另一方面又可以大大提高产品的生产效率。若居家使用 3D 打印机，餐具、电筒、首饰、箱包、鞋袜、玩具等都可以 DIY 了。与给公司和设计师们带去的好处相比，3D 打印机在个人市场的发展更值得期待。3D 打印机对传统工业市场带来最大冲击，无疑是催生了一个新市场，这就是利基市场，说得通俗点就是小众市场。传统工业是大规模同质化生产，带来的是一个类似的生活模式，你只能被动接受那些工业品，个
9、性产品是富人享受的奢侈品。3D 打印由于极其低廉甚至是免费的设计成本，无论生产多少个体成本都相同，这让追求个性化的产品市场成倍数增长。加上网络高度发达，你可以在免费网站获取设计文件加以个性化改进，便可网售你的产品。简单地说，只要有创意，任何一个人都可成为这个市场的供应商。这个市场不会完全取代传统工业生产，但一个分散化、低成本、低风险、差异化的工业生产时代已成为无法阻挡的现实。这将留给我们一个巨大的创业空间。在西方，这个新创业浪潮正在以创客运动的方式逐步扩大。在生活领域。由于材料的不断扩展，用 3D 打印机制造食品也不再是什么难事，数字厨房很快就会成为现实。打印一座建筑，不过需要一个大点的打印机
10、而已。可能不久以后，衣食住的需求都可在家里或一个就近的打印店里获取。3D 打印技术最具潜力的作用将体现在医疗健康领域。人们已经看到从颅骨和面部植入假体材料到低成本的低成本的假体，再到可更换的气管等在内的诸多 3D 打印产品。在牙齿矫正和治疗上，3D打印机的运用已很广泛了，它还让假肢制作变得更为精确和艺术，义肢不再是个丑陋的替代品，在减轻使用者痛苦的同时，还会带来精神上的释放。如今 3D 打印机已可打印干细胞，如果找到激活的方法，那么打印器官和人体组织也将不再遥远，这将挽救大量的生命，延长我们的寿命。未来，在此领域还将充满更多的新创意。尽管打印完全功能的器官还需要一段时间，但是，为个别患者定制打
11、印某种器官的能力将会出现。据独立报报道称，一名 22 岁的女子因为头颅骨过厚而饱受折磨，过厚的头颅骨对大脑施加的压力导致了她严重的头痛和视力下降，其运动控制能力也开始逐渐受损。Utrecht 医学大学的研究人员在澳大利亚公司 Anatomics 的帮助下，使用 3D 打印机创造出一个满足特别需要的塑料头盖骨。经过 23 小时的手术，这名患者的头盖骨被塑料头颅骨替换。在手术执行三个月后，研究人员宣布手术取得了成功，病人已经恢复了视力并返回了工作岗位 5。在某些情况下，3D 打印产品最终耗费的成本和零售店产品的价格差不多，3D 打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。所以对于大多数产品来
12、说，不管你是打印 1 件还是 100 件，价格都相差无几。不过，相信随着 3D 技术的愈加成熟，价格问题会慢慢得到解决。十年前，3D 打印机的造价仍十分昂贵，动辄数万美元，如美国的 3D SyStem 公司于 2003 年推出的 InVision 打印机，价格为 5.99万美元；同年 Z Corp 公司也上市了自己的三维打印机，报价从 5.6万到 2.89 万美元不等 6。2006 年，美国康奈尔大学两位科学家发起了一个专门研究低成本家用 3D 打印机的项目，名为“FabHome Project” ，经过一段时间的努力，他们真的研制出一台低成本的 3D 打印机，原材料价值2400 美元 7。携
13、 3D 打印机小型化、桌面化的趋势，越来越多的厂商将目光投向了个人市场。在另一家公司 Makerbot 的网站上，一台名为 MakerBot Replicator 的家用 3D 打印机售价仅为 1749 美元。这一价位，其实已低于激光打印机在 1985 年时的价格水平 8。未来，3D 打印不仅是一种打印、扫描和共享内容的新方式，而且还将增加打印的精密度、规模以及更好的选择材料。而且打印成本也将下降。总体而言，功能性材料将进入市场，而且还将出现更加先进的打印程序，更加先进的 3D 打印机走向市场。一些初创型企业也会研发出更快、更便宜的 3D 打印设备。今天的 3D 打印就像上世纪 90 年代的互
14、联网，前端技术、硬件已经积累到一定程度，一旦发展起来，后端的应用规模与产值将会爆发出难以想象的巨大能量。桌面级 3D 打印机的普及只是时间问题，最终取决于 3D 打印机自身的工艺改造和技术完善。桌面级 3D 打印机有几大趋势：一是桌面 3D 打印机将变得更为小巧、便于携带，外表上看起来更时尚，几年后它将会像电脑一样方便携带。第二，触屏功能、摄像功能、上网功能、自动修复功能一应俱全。第三，打印的精度非常高、打印的材料非常便宜。第四，价格大多控制在 3000 元人民币以内，成本大概在 1000 元人民币左右。第五，市场空间非常巨大，预计国内市场保有量在 2 亿台以上，3D 打印机进入家庭、进入学校
15、将变为常态 9。或许有一天，你就可以在家里，亲自为心爱的人设计礼物，按下桌角 3D 打印机的“ 打印” 键，一件饱含深情的礼物便成型了。参考文献：1 曾靖皓3D 打印新世界的无穷未来与现实障碍N上海证券报2 搜狐 IT2015 年 3D 打印技术往哪儿走？看这五大发展趋势OL(2014-12-21)2015-06-09http:/ 3 3D 族三维打印影响彪马和锐步OL(2013-03-09)2015-06-09http:/ 4 丁舟洋工业 3D 打印“叫好不叫座”N每日经济新闻5 老爹网荷兰使用 3D 打印颅骨替代人体颅骨手术获得成功OL (2014-04-01)2015-06-09http:/www.solidot.org/story?sid=389646 费伟三维打印机直接打出汽车模型N环球时报2004-05-10（12） 7 邱月烨3D 制造力：3D 打印机要革“制造”的命J21 世纪商业评论 , 2012, 88 明轩CES 最佳电子产品获奖名单：最佳平板花落华硕OL(2012-01-13)2015-06-09http:/ 9 罗军当 3D 打印遇上工业 4.0N四川日报
