3D 打印技术发展现状分析
摘 要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一，越来越受到工业界和投资界的关注。在分析了3D 打印技术的全球商业化状况和应用领域的基础上，进一步展望了3D 打印技术的应用趋势。最后指出，3D 打印技术将深刻改变传统行业的产业模式，实现从传统制造向智能制造迈进。
关键词： 3D打印技术，智能制造，快速制造，柔性化
1 3D打印技术的概念
3D 打印( 3D printing)技术，又称“增材制造”( additive manufacturing) 技术。3D 打印是一种与传统的材料加工方法截然相反，基于三维CAD 模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。其采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。3D 打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”( rapid prototyping) 和全生产周期的“快速制造”( rapid manufacturing) 相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。3D 打印涉及的技术包括CAD建模、激光、测量、接口软件、材料、数控、精密机械等多种学科的集成。
3D 打印具有如下特点和优势。
①数字制造： 借助CAD 等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件。
②降维制造： 即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品，制造过程更柔性化。
③直接制造： 任何难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要模具或组装拼接等复杂过程来实现。
④快速制造： 3D 打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造。
2 目前存在的主要问题
3D 打印技术已经取得了显著的进展，但仍存在以下几方面问题。
①耗材是目前制约3D 打印技术广泛应用的关键因素，目前可打印的材料还比较少。
②3D 打印机本身。由于3D 打印工艺发展还不完善，快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求，只能做原型使用。
③3D 打印的价格。目前，3D 打印不具备规模经济的优势，价格方面的优势尚不明显。
④知识产权的保护。3D 打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式，而且也在于它能改变知识产权的规则。
⑤3D 打印机的操作技能。3D 打印技术需要依靠数字模型来进行生产，但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设计工具( CAD) 还是有一定难度。
⑥政策方面。3D 技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。
3 应用领域与影响
3.1 全球商业化状况
根据美国技术咨询服务协会Wohlers Associates 发布的2012年度报告，全球3D 打印行业在2011年销售额为17.14亿美元，当前该技术的市场渗透度为8%，因此，报告保守估计3D打印市场机会为214亿美元。乐观者则认为当前市场渗透度仅为1%，从而3D 打印市场机会为1700亿美元。目前，3D打印技术市场的年增长率为29.4%。据预测，该行业的市场规模到2015年将达37亿美元，到2019年将增长到65亿美元。
3D打印技术在中国的起步并不算晚，中国目前对3D打印技术的重视程度己上升至战略性高度，政府出台了一系列相关的发展计划，以支持3D打印技术在各行业尤其是高、精、尖领域的核心关键技术的研发和推广。
3.2 应用领域
3D 打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。目前，3D 打印技术已在工业设计、文化艺术、机械制造、航空航天、军事、建筑、家电、轻工、医学、雕刻、首饰等领域都得到了应用。随着技术自身的发展，其应用领域将不断拓展。这些应用主要体现在以下八个方面：
①电子器件的设计与制作;
② 制造工艺与装配检验;
③ 功能样件制造与性能测试;
④ 快速模具小批量制造;
⑤ 建筑总体与装修展示评价;
⑥ 科学计算数据实体可视化;
⑦ 医学与医疗工程;
⑧ 动漫造型评价。
3.3 对人类生产生活方式的影响
3D 打印技术的应用将从以下三个方面深刻改变传统制造业形态。
一是使制造工艺發生深刻变革。3D 打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，节省了材料和加工时间。
二是带动制造技术的重大飞跃。3D 打印技术是一门综合应用CAD/CAM 技术、激光技术、光化学、控制、网络以及材料科学等诸多方面技术和知识的高新技术，带动了相关产业的发展。
三是使制造模式发生革命性变化。3D 打印将可能改变第二次工业革命产生的、以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变。
4 结束语
随着3D 打印技术和商业应用的发展，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D 打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业和新的商业模式，创造出新的经济增长点。3D 打印技术的发展带来的产品技术、制造技术与管理技术的进步使企业具备快速响应市场需求的能力，实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。
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作者：李彦莹
3D打印技术是一种通过逐层增加堆积材料来生成三维实体的快速增材制造技术，不但克服了传统减材制造产生的损耗问题，而且使产品制造更智能化、精准化和高效。尤其是涉及到复杂形状的高端制造，3D打印技术显示出了巨大的优越性。随着高端制造业的发展，目前3D打印制造技术受到高度关注，与机器人技术、人工智能技术一起被称为推动第三次工业革命的关键技术。
3D打印制造技术主要由3个关键要素组成：一是产品需要进行精准的三维设计，运用计算机辅助设计(CAD)工具对产品全方位精准定位;二是需要强大的成型设备;三是需要满足制品性能和成型工艺的材料。由于3D打印制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理，是对传统制造模式的一种颠覆，因此3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，也是3D打印突破创新的关键点和难点所在，只有进行更多新材料的开发才能拓展3D打印技术的应用领域。
3D打印制造技术的最终发展是在高端制造领域的应用，由于受材料技术的限制，目前3D打印材料主要以树脂塑料最为成熟，还无法完全满足高端工业3D打印的需要，因此需要现有塑料材料不断完善和改进。塑料材料具有热塑性可熔融的特性，在熔融状态下，从喷头处挤压出来，通过凝固层层叠加最终形成产品。由于塑料材料良好的热流动性、快速冷却粘接性、较高的机械强度，在3D打印制造领域得到快速的应用和发展。塑料材料的熔融粘结特性逐步将树脂塑料用于陶瓷、玻璃、无机凝胶、纤维、金属等，成为3D打印的基础材料[1]。本文主要就3D打印塑料材料技术的现状和发展趋势进行简述。
一、3D打印塑料种类
不同于传统塑料材料，3D打印技术对塑料材料的性能和适用性提出了更高要求，最基本的要求是通过熔融、液状或者粉末化后具有流动性，3D打印成型后通过凝固、聚合、固化等形成具有良好的强度和特殊功能性[2]。适合于3D打印的塑料材料有工程塑料、生物塑料、热固性塑料、光敏树脂和预聚体树脂、高分子凝胶等。
1.工程塑料
工程塑料因良好的强度、耐候性和热稳定性使其应用范围较广，尤其是用以制备工业制品，因此工程塑料成为目前应用最广泛的3D打印材料，特别是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等最为常用。
ABS材料因具有良好的热熔性、冲击强度，成为通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。目前主要是将ABS预制成丝、粉末化后使用，应用范围几乎涵盖了所有日用品、工程用品和部分机械用品。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大，而且性能不断提升，借助ABS强大的粘接性、强度，通过对ABS的改性，使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。例如，2014年国际空间站用ABS塑料3D打印机为其打印零件;世界上最大的3D打印机材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30，专为3D打印制造设计，机械性能比传统的ABS材料提高了67%，从而扩大了ABS的应用范围;Stratasys公司发布的第2代数码ABS2，这种新型材料可以通过3D打印薄壁的电子器件，而且具有良好的热稳定性和尺寸稳定性[3]。初创公司3DXTech采用100%的纯ABS树脂和多壁碳纳米管开发出了3DXNano ESD材料，可用于打印一些关键零件在汽车、电子、电气中得到应用。
PA强度高，同时具有一定的柔韧性，因此可直接利用3D打印制造设备零部件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件强度韧性很高，可用于机械工具代替金属工具。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等，用工程塑料替代传统的金属材料，最终解决了汽车的轻量化问题[4]。由于PA容易预制成颗粒均匀的球形微细粉体，因此材料流动性好，松装密度高，可以通过3D打印的选择性激光粘合将粉末逐层粘接，精确快速加工成型精密零件。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉等混合，通过粘接实现陶瓷粉、玻璃粉、金属粉的低温3D打印。
PC具有优异的强度，其强度比ABS材料高出60%左右，因此适合于超强工程制品的应用。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。
PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性，在各种快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通过碳纤维、石墨的复合处理，PPSF显示出极高的强度，可用于3D打印制造高承受负荷的制品，成为替代金属、陶瓷的首选材料[5]。
PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨[6]。国内吉林大学在PEEK领域进行深入研究，并申请多项发明专利，其中专利CN103707507A公开了一种PEEK仿生人工骨的3D打印制造方法，利用可以替代金属且具有优良生物相容性的PEEK材料进行仿生人工骨的3D打印制造[7]。
2.生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羟基丁酸酯(PHB)、聚-羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯(PBS)、聚己内脂(PCL)等，具有良好的可生物降解性。由于生物塑料具有良好的流动性、快速凝固特性、不易堵喷嘴、环保型、生物相容性，在生物医疗制品的3D打印制造中得到很好的应用。
PLA在3D熔融沉积打印中打印出来的样品成型好、不翘边、外观光滑。新加坡南洋理工大学的Tan K H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中，采用3D技术成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA组织工程支架，通过对该支架进行组织分析，发现其具有生长能力[8]。成都新柯力化工科技有限公司(以下简称“成都新柯力”)利用低温微细反应技术，通过将PLA冷冻微细处理后进行共混增强，大幅提升了改性的均匀性，对聚乳酸的韧性、冲击强度和热变形温度都有很大程度的提高，使PLA在3D打印材料中具有更加广阔的应用前景[9]。
PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高。PETG作为一种新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的优点。在3D打印时，材料的收缩率非常小，并且具有良好的疏水性，无需在密闭空间里贮存。由于PETG的收缩率低、温度低，在打印过程中几乎没有气味，使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景[8]。ESUN开发出一款具有突出韧性和高强度抗冲击性的PETG，突破了传统聚丙烯酸酯类产品的局限，其抗冲击力是改性聚丙烯酸酯类的3～10倍，其与聚氯乙烯(PVC)相比，透明度更高、光泽好，更便于3D打印且具有环保的优势。
PCL是一种生物可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右。与大部分生物材料一样，人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。同时，也由于熔点低使得它可以有效避免人员操作时的烫伤。另外，因为其具有形状记忆的特性，它使得打印出来的东西具有“记忆”，在特定条件下，可以使其恢复到原先设定的形状。在医学领域，可用来打印心脏支架等[8]。针对PCL强度低的缺陷，中国科学院化学研究所研究了一种高强度的可生物降解的PCL 3D打印材料，通过针对性的选用无机组分对PCL进行改性处理，使得PCL改性材料表现出了优异的抗冲击强度及耐蠕变性能[10]。
但由于生物塑料普遍强度较低，因此目前对生物塑料需要进一步的增强处理。
3.热固性塑料
热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物工程研究所联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料，这种环氧树脂可3D打印成建筑结构件用在轻质建筑中。比利时Materialise NV公司已开发出一种柔性且耐用的TPU92A-1聚氨酯，用于3D打印用柔性制品，具有弹性好、高抗撕性和动态负载电阻的特点，且瞬间响应，能耐受-4～112℉的温度范围。
4.光敏树脂
光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。但是现有技术中的光敏树脂用于3D打印时还存在一些缺点，如后期固化的时间较长，易导致形变;综合性能和机械性能存在缺陷，影响应用的范围。
目前国内对光敏树脂在3D打印的应用取得了显著进步，西安交通大学自主研制了3D打印光固化成型材料，成型精度达到0.2mm[11]。国外杜邦公司针对光敏树脂存在固化速度慢、强度差的缺陷，推出牌号为2100、3100的光敏树脂[12]。帝斯曼推出的Somos Nex光固化材料与PC类似，不但韧性、刚性好，而且精度高，可用于高精度的汽车、电子等领域。
适合3D打印的光敏树脂由于技术含量高、配方复杂，目前只有少数几家公司掌握，但已有技术证明，光固化的光敏树脂在3D打印制造领域的应用存在巨大的潜力，甚至可替代工程塑料用于高强、高精密度的制品打印。
5.高分子凝胶
高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料;凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料;凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料;与人体组织器官的性能相近，可用于医药组织材料，如耳朵、肾脏、血管、皮肤和骨头在内的人体器官都已经可以利用高分子凝胶进行3D打印。Rossiter[13]等在2009年首次将聚丙烯酸材料作为3D打印材料，通过喷射液体聚丙烯酸材料固化形成了三维聚丙烯酸基体材料。英国人Alan Faulkner-Jones将活细胞注入生物凝胶，随着细胞的生长，凝胶最终溶解，最终形成带结构的生物体组织[14]。段升华的发明专利公开了一种3D生物打印水凝胶材料及其应用，该水凝胶材料为聚N-异丙基丙基酰胺类、PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物，含有细胞生长因子及营养组分、水、温敏性聚合物和生物大分子，具有与人体软组织相仿的力学性质，并可包裹细胞，有良好的细胞黏附性，用于人体内时，免疫排斥小、抗过敏，有利于人体健康恢复，生物降解性好[15]。
二、3D打印塑料材料的形态
根据3D打印工艺需要和材料性能的不同，目前3D打印塑料材料的形态主要有丝状、粉末状、液体状。
1.丝状塑料材料
为了使热塑性塑料材料用于3D打印时能够快速熔融并均匀的输送，通常将塑料材料经过螺杆挤出机预制成直径1.75mm或3.00mm的单丝。目前大部分热塑性塑料通过预制成单丝，在预制成单丝的同时可以根据制品需要复合其它材料以提升塑料材料的性能。丝状塑料用于3D打印要求丝料具有良好的弯曲强度、压缩强度、拉伸强度，这样在牵引和驱动力作用下才不会发生断丝，而且要求丝状物具有良好的圆度，以保证送料均匀稳定[16]。广州优塑塑料科技有限公司的专利公开了将ABS或PLA与木粉混合挤出得到3D复合塑料丝，可以用于打印仿木质产品[17]。澳大利亚Swinburne工业大学将铁粉混合到尼龙中通过拉丝获得了1种由金属-塑料复合的丝，可用于3D打印熔融沉积工艺快速成型制品[18]。
2.粉末状塑料材料
对于一些热熔温度高、热敏感、热流动性差、具有热固特性的塑料通常预制成粉末，如聚甲基丙烯酸甲酯粉末、聚甲醛粉末、聚苯乙烯粉末、石蜡粉末、淀粉粉末等，通常需要通过机械粉碎、喷雾干燥获得粉末[18]。为了保证良好的球度和流动性，实现高烧结精度，要求聚合物材料能被制成平均粒径在10～250μm之间的球形粉末材料，这样的材料流动性好、松装密度高[1]。如可以通过气相沉淀等技术手段将塑料制成聚合物微球用于3D打印材料[19]。合肥杰事杰新材料股份有限公司的专利公开了一种用于3D打印的聚苯乙烯微球材料及其制备方法[20]。
3.液态状塑料材料
液体状的3D打印塑料材料由于具有良好的流动性，可以大幅提高打印的精确度。液状的光敏树脂聚合材料是目前应用最广的液体塑料。另外将塑料树脂用溶剂预先溶解为液体;选用凝胶高分子;选用可快速聚合的单体;选用2种液状物可聚合反应的液体如聚氨酯;预聚体通过自聚或者引发聚合等等，都是可选用的液状3D打印塑料材料。青岛尤尼科技有限公司的发明专利公开了一种预聚物3D打印材料，由聚氨酯丙烯酸酯预聚物、光引发剂、含硫表面活性剂组成，在3D打印机中可均匀流动，喷射后快速固化[21]。
三、3D打印塑料改性技术
目前几乎所有的通用塑料都可以应用于3D打印，但由于每种塑料的特性存在差异，导致3D打印的工艺以及制品性能受到影响。目前影响塑料材料应用于3D打印的因素主要有：打印温度高、材料流动性差，导致工作环境出现挥发成分，打印嘴易堵，影响制品精密度;普通的塑料强度较低，适应的范围太窄，需要对塑料做增强处理;冷却均匀性差，定型慢，易造成制品收缩和变形;缺少功能化和智能化的应用。
3D打印产业的关键是材料，塑料材料作为3D打印最为成熟的材料，目前仍存在较多问题：受塑料强度的影响，塑料材料适应领域有限，成品的物理机械特性较差;需要高温加工、低温流动性差、固化慢、易变形、精密度低;缺少塑料在新材料领域的拓展。为此，3D打印塑料改性技出现了一些术改性技术，主要为以下4个方面：
1.流动性改性
为了实现塑料的流动改性，可以参考利用润滑剂等进行改性。但由于使用过多的润滑剂会导致挥发分增加，切削弱制品的刚性和强度，因此通过加入高刚性、高流动性的球形的硫酸钡、玻璃微珠等无机材料可以弥补塑料流动性差的缺陷。对粉末塑料可采用粉体表面包覆片状无机粉体如滑石粉、云母粉等以增加流动性。另外，可在塑料合成时直接形成微球，以确保流动性。
2.增强改性
通过补强材料可以提升塑料的刚性和强度。如通过玻璃纤维、金属纤维、木质纤维用于增强ABS的增强使复合材料适合于3D熔融沉积工艺;粉末状塑料通常通过激光烧结，可以通过复合多种材料进行增强改性，包括添加玻璃纤维的尼龙粉、添加碳纤维的尼龙粉、尼龙与聚醚酮混合等[22]。
3.快速凝固
塑料的凝固时间与结晶性密切相关。为了加快塑料3D熔融沉积后快速凝固成形，可以通过使用合理的成核剂以加快塑料定型凝固，也可以通过在塑料材料中复合不同热容的金属以加快凝固的速度。
4.功能化
塑料材料用于3D打印由于材料的特殊性，在一些领域应用受到限制。但如果赋予塑料一些功能，会大大拓展塑料在3D打印制造领域的应用范围。如传统功能性塑料制品通常在加工时混入功能性材料，但由于功能性材料的特殊性，对加工工艺、加工设备要求极高，甚至有些功能性材料由于自身热性能的限制无法直接加入塑料中。特别是一些用于生物医疗的复杂器件、导电材料、温控材料、形变记忆材料采用传统制造方法难以满足要求。通过选择3D打印成型，不但可以得到复杂形状的智能材料，而且通过复合使具有功能的材料在3D打印成型时直接填入塑料。如将电磁场、温度场、湿度、光、pH值等敏感材料通过3D打印用于塑料获得智能材料[23];利用有机聚合物将金属粉末粘接制备具
有形状记忆功能的合金[24];苏州聚复高分子材料有限公司的发明专利公开了一种快速成型形状记忆高分子材料及其制备方法和应用，硬段结构由二异氰酸酯结合结晶型扩链剂构成，软段结构由聚酯型或聚醚型的多元醇结合构成，所打印的3D产品对于时间的维度具有自发形变回复的能力[25];西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室利用导电聚合物以及水凝胶与导电颗粒混合体作为电极材料，利用3D打印技术制造了导电水凝胶电极材料[23];在生物医疗领域，利用3D打印技术制备双管道聚乳酸/β-磷酸三钙生物陶瓷复合材料支架，具有可控的多孔结构，力学性能明显增强[26]。英国华威大学研制出一种新型导电塑料复合材料，而这种材料的最大特点是可供人们打印符合自己意愿的电子产品，从而减少不必要的电子废弃物。另外，塑料通过功能化利用3D技术可以制作高分子光伏材料、高分子光电材料、高分子储能材料等。
四、3D打印塑料发展趋势
3D打印制造技术的发展中，材料是技术提升的关键。由于目前金属制品、陶瓷制品、玻璃制品、木制品等3D成型材料的技术瓶颈，使得3D打印技术还不能完全替代传统的制造技术。3D打印制造技术是一种全新的制造理念，最终将应用于大工业规模化智能生产。由于塑料自身强度的限制，塑料材料在3D打印中的应用目前仅限于普通制品。但随着3D打印技术的发展，传统塑料的性能被大幅提升，依靠塑料强大的快速熔融沉积和低温粘接特性将被广泛应用到3D打印制造领域。除了塑料自身可以通过3D打印制品外，在玻璃、陶瓷、无机粉体、金属等的3D打印都需要依靠塑料的粘接性来完成。
塑料材料向高强度发展，通过改性塑料的强度被用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品，从而使塑料材料在3D制造中被广泛应用。Stratasys公司推出新型热塑性材料ASA是一种用于制造工具和最终成品的通用材料，在抗紫外线稳定性、强度和耐久性方面表现出色。塑料材料可避开低强度的缺陷，向复合化、功能化发展，特别是实现多元材料复合、从而赋予塑料特定功能。通过3D打印技术制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料、储能高分子材料等新材料。利用生物塑料的生物相容性，向医学人体组织发展。3D打印在细胞、软组织、器官、骨骼方面具有巨大的空间，尤其是组织工程应用中具有独特的优势[19]。在今后10～20年，塑料材料将仍是3D打印的主流材料。
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作者：陈庆 曾军堂 陈韦坤
摘 要：3D打印是一种以三维计算机模型为模板，通过逐层叠加的方式来堆砌出三维型体的快速成型技术，目前在建筑行业中已有很多地区尝试。本文重点从以下三方面介绍了挤压式3D打印在建筑行业中的研究与应用现状：(1)建筑设计与施工，包含装配式打印、整体式打印和群组机器人集合打印装配;(2)建筑材料，包含水泥基材料在增加强度、硬度、耐久度、可打印性等方面的研究;(3)建筑装饰与装修，包含现代建筑装饰装修和古建筑修复与数字化信息库的建设。通过分析3D打印技术在工程建造领域中的技术欠缺、管理不到位等问题，总结了3D打印建筑在工业化发展过程中需要应对的技术、管理层面的挑战。
关键词：3D打印技术;3D打印建筑;建筑设计与施工;3D打印建筑材料;3D打印建筑装饰与装修;古建筑修复
3D打印是一种将材料逐层堆积并黏合成实体的快速成型技术[1]，由于其层层叠加的加工特点又被称为增材制造[2]。该技术诞生于1984年，经历了几十年的迅速发展，3D打印渐渐进入了我们的日常生活，目前已被广泛应用于医疗、建筑、生物、食品、服装设计、文物保护等领域。3D打印建筑技术最早是美国学者Joseph Pegna[3]提出的，它是一种按照预先设计的建筑模型和程序，用特制的打印“油墨”—建筑材料—通过机器设备智能“打印”出来并逐层累加，从而达到建筑建设标准且具有实用功能的建筑的技术。与传统建筑工艺相比，3D打印技术具有满足复杂的多样化建筑外形、施工周期短、施工安全、节约劳动力、降低成本、对环境友好等优势[4-5]。3D打印技术的引入，把建筑业带入了数字领域，它将建筑设计、施工、项目管理、装备、新型材料、应用融合等综合为一个新的体系，可快速建造出各种传统建筑工艺不易建造甚至无法实现的新型建筑结构。
本文结合3D打印建筑技术进展，介绍3D打印在建筑设计与施工、项目管理、建筑装饰装修和古建筑修复等领域的典型应用，并指出3D打印今后在建筑行业需要面对的挑战。
1 建筑设计与施工
对于建筑师来说，可以创建复杂外形的建筑是3D打印最大的优势[6]。例如逐步成熟的非线性建筑，依靠自由多变的外形特征焕发了城市新的活力[7]，但是它复杂的外形使得施工中定位、模板安装、支模架搭设有很大困难。如今3D打印建筑的兴起和云计算的到来，鼓舞着勇于创新的建筑师们继续进行非线性建筑的深化应用[8]，为自由建筑外形的进一步发展提供了便捷条件。
1.1 装配式打印
预制装配式的3D打印建筑是预先在电脑中将三维建筑模型按照不同的结构或受力情况划分成多个部分，在工厂分别打印完成后再运至现场组装[9]。与传统预制装配式建筑不同的是，预制板可以直接打印出不同的肌理而不需要后期美化加工(如图1盈创集团的不同肌理板)，给建筑外观带来了新的可能。
2021年8月，位于荷兰埃因霍温(Eindhoven)的3D打印房屋将迎来第一批租户。这是5栋独立的单层出租房屋，外形看起来像一块大石头，使人眼前一亮。建筑面积94平方米，有宽敞的客厅，两间卧室。房屋由24个逐层打印的混凝土部件组成(见图2)，这些工厂里打印好的部件通过卡车运到施工现场装配，最后安装屋顶和窗框并完成整栋房屋的建造(见图3)，所有的家具、装饰依然为传统施工技术(见图4)。这些3D打印混凝土房屋有超厚的隔热层，并且与城市供暖系统相连，非常舒适且节能。
除了国外的飞速发展，我国的北京华商陆海科技有限公司也已推出了适用于装配式建筑的龙门式建筑3D打印机，既轻便又便宜，用来建造数字化设计、工厂化生产、装配式组装的3D装配式建筑。施工过程中不受季节影响，需要的建筑工人数量很少，建筑质量得到提升的同时还大大缩减了施工周期。与传统“装配式建筑”将事先做好的梁、板、柱、墙等建筑构件在施工现场进行搭积木式拼合的产业模式不同，华商陆海3D装配式建筑主要是基于3D打印建筑技术，以“单体建筑”为单位在工厂进行定制化打印(见图5)，最终在现场装配而成，解决了传统“装配式建筑”墙面开裂、板材拼接缝隙不均、隔音效果不佳、保温隔热效果差等难题。
1.2 整体式打印
不同于装配式的3D打印建筑技术，整体式打印不需要在工厂里打印好独立的构件再运到建筑基地进行组装，而是直接在现场建造，整个建筑用打印机在原点一次性打印建造完成。2017年，俄罗斯建造了一座占地37平方米的房子(见图6)，只花了不到一天就建造完成，成本7万多元人民币。它是由旧金山ApisCor公司生产的圆形3D打印机建造完成(见图7)。这款紧凑型的3D打印机便于运输，它有一个旋转底座和起重机般的机械手臂，底座部分用于存储、供应原料，360°旋转的活动手臂负责搭建，因此可以实现比自身更大的打印尺寸。
北京华商陆海科技有限公司从2016年的以钢筋混凝土为原材料的“现场整体打印”的示范建筑，到2018年打印的正式商用建筑“新温莎城堡”(图8)，向我们展示了我国3D打印建筑技术的快速发展。“新温莎城堡”面积超过600平方米，是由华商陆海自主研发的“建筑3D打印机”完成的，在不到2个月的打印工期内，建筑3D打印机喷射出超过500吨的混凝土，实现了风格迥异的多层建筑的现场整体打印。
2019年11月，中建股份技术中心和中建二局华南公司联合完成了一栋7.2米高，总面积230平方米的双层办公楼的打印(见图9)，打印设备由中建机械公司设计制造，打印材料、设备、工艺及控制软件均是自主开发，建筑3D打印技术利用电脑智能控制，全部使用机械自动化操作，可以做到24小时不间断打印，主体打印只需3天，节约材料超过60%，建好的房屋寿命可达50年。打印出的中空墙壁还可以填充保温材料达到节能降噪的目的(見图10)。
2 建筑材料
3D打印建筑物使用的建筑材料是通过3D打印机的传输管和喷嘴挤出的“油墨”，这种特殊“油墨”主要由胶凝材料、各种粗细骨料、外加剂、特种纤维等[10]混合制成。3D打印机喷嘴结构复杂，操作不当容易堵塞，因此，3D打印建筑材料的配制要求比传统建筑材料要高。
水泥基材料作为主要的3D打印建筑材料[11]，是基于流变学原理及水泥水化原理实现水泥基材料的3D打印[12-14]。其研发[15-17]包括：通过添加不同配比的外加剂，控制水泥基材料的流变性和收缩率，增加水泥基材料的强度、韧性和耐久性，提高打印材料的层间黏结性能;通过选用不同的骨料，减轻结构自重[18];在管理上制定打印材料的性能评价方法等。
2.1 增加强度、硬度和耐久性
3D打印建筑所用的水泥基材料要确保硬化后具备一定的强度、硬度和耐久性，相邻两层材料之间要能紧密黏结成一个整体[19]。一般认为，适合3D打印建筑材料添加的骨料应为粒径10毫米以下的近似球型，具有高强度低密度的特性[20]。
Weger D等[21]通过测试发现采用粉末黏结工艺成型的3D打印水泥基材料抗冻融性能满足标准要求;刘致远[22]针对寒冷条件下水泥基材料强度发展规律及抗冻耐久性进行了研究，总结了添加不同外加剂后材料抗压、抗折性能的变化;曹香鹏等[23]通过在添加了矿物掺合料的复合胶凝材料中掺入中空玻璃微珠，制备出了抗压、抗折强度适宜的建筑材料;王里等[24]制备了环氧树脂改性砂浆和氯丁橡胶改性砂浆来增强相邻材料层的界面黏结性能，增强打印建筑的整体稳定性;Zhang等[25]研究发现，3D打印水泥基材料具有较高的抗压强度和抗弯强度，较低的干燥收缩率，较好的抗硫酸盐侵蚀和碳化能力，但抗冻害和氯离子渗透能力较低。
2.2 优化可打印性能
相对于传统建筑用混凝土，3D打印用混凝土需要有适宜的流动性，不堵塞管道和喷嘴，并能短时间内凝结。若流动性过大，凝结速度慢，会导致在3D打印过程中材料无法堆叠;而流动性过小，则会导致3D打印机喷头的堵塞。因此，研发新型复合外加剂来控制水泥基材料的硬化时间是3D打印建筑材料研究的重要方向[26]。
学者们[27-29]的研究表明，掺入减水剂使混凝土具有较好的流动性已经成为混凝土获得较快初凝能力的一种重要方法;LE T T等[30-31]研究发现，降低水胶比、增加粉煤灰掺量有助于降低打印过程中混凝土浆料的收缩率;范诗建等[32]则提出添加改性剂的磷酸盐水泥具有快凝、早强、黏结强度高和生物相容性好的优点;薛龙[33]研究发现，添加促强减缩剂、无碱液体速凝剂以及硫酸铝溶液能够明显缩短水泥的凝结时间;使用硫铝酸盐水泥和铝酸盐改性硅酸盐水泥能获得早强快凝的3D打印混凝土[34-35];Zhang Y等人[36]设计了一种在输送过程和挤出时具有良好流动性的水泥浆体;李艳玲[37]研究了添加不同化学外加剂的水泥基建筑砂浆性能后发现，3D打印建筑砂浆降低了不能振捣夯实材料所造成的收缩变形，且凝结时间可控，可挤出性能与力学性能较好;高效减水剂和缓凝剂的最佳掺量可改善材料流变性能。
据统计，我国由于城市建设的需求，传统的建造方式每年产生的建筑废料高达20亿吨。随着3D打印建筑技术的推广和打印“油墨”的研发，使用建筑废料进行打印得到了研究者的关注。通过这种技术，可以回收大量的建筑废料有效利用后，变成建设科技智能城市的重要物资，不但节省城市建设的费用，也极大地降低了建筑垃圾对城市的环境污染。另外，研究人员也在积极地研制开发其他新型材料，如：砂材料、生物纤维材料和智能材料等。
3 建筑装修与装饰
3D打印技术可以建造一些形态复杂的产品，使造型艺术不再受限于制造技术，促使设计师将设计重点更多地放在产品的外观创新上，表达自己天马行空的思路[38]。目前，一些3D打印产品设计网站的出现，客户可以很方便地与设计师沟通后购买个性化设计，使客户自由定制建筑内装饰装修产品[39]。由于打印室内装饰使用的材料性能要求(如强度等)比建筑主体低，能更好地展现出3D打印技术在复杂曲面造型中精细、高效、低成本的特点。
法国设计师Franois Brument和 Sonia Laugier的作品“Habitat imprimé”以一种全新的思维突破了传统的室内设计(图11)，依据不同家具和设备衍生出变化的墙壁厚度，通过不同材料(塑料、混凝土、砂石)的叠加，打造出一个与众不同的个性化空间，或许将成为未来小户型装饰装修的另一种发展趋向;上海东海广场SOHO售楼处室内装饰和一体化完整家居打印的自由曲面则处处散发着科幻的气息(图12)。
除了现代化的装饰与装修，3D打印技术对于传统建筑装饰技能的保留与传承也起着积极的推动作用。我国江西乐平素有“中国古戏台博物馆”之美誉，古戏台建筑营造技艺入选为国家级非物质文化遗产，其精美的木雕让人叹为观止。现今传统工艺技术的学习传承者愈来愈少，以致木雕、石雕等很多传统技艺在流失，据许飞进团队[40]考察，现存的乐平雕刻工匠正趋于老龄化，年轻的传承人严重缺乏;另外，大部分工匠技艺不传外姓徒弟的传统方式增加了技艺传承断层的危机。于是，研究者借助红外线扫描并建模的技术储存下数字化的雕刻数据，最终建立数据库加以整理和保存，从而将高超的传统技艺留存下来，需要时再通过3D打印的实体模型来学习制造。此外，刘新业等人[41]依照影像数据采集、数字建模、修复模型细节、场景渲染的步骤对沈阳北塔建筑纹饰进行修复，最终通过3D打印技术实现了纹饰的复原，为展现地域文化带来了可行的新模式。值得关注的是，在古建筑建造和保护的研究中通过红外线扫描技术进行古建筑数字化建模[42-43]、建立古建筑常用的3D构件库并进行3D打印的技术[44-45]已在古建筑装饰构件的替换中取得突破，但在受力復杂的梁柱构件上进行替换还在试验当中[46]。
结语
3D打印建筑具有节约资源、降低成本、工期较短、设计灵活等优势，目前十分适用于紧急安置等住房，在农村和受灾重建活动板房中具有其优势。同时，由于3D打印建筑在技术上仍然有欠缺，管理上也还不完善，在未来需要面对以下挑战：
(1)技術发展。3D打印因其材料层层叠加、架空部位缺乏支撑和受建造环境的影响原因，以目前的技术在混凝土中配筋还有一些障碍[47];因此，要提高3D打印建筑的整体性和抗震性，还需要在创新结构设计和新型材料的研发方向拓展。同时，有针对性地促进计算机辅助设计、激光技术、AI技术、数控技术、材料工程等多项技术集成化发展才能加快3D打印建筑的推广。此外，探索由若干小机器人(打印机)在三维模型中协调执行复杂、庞大建筑的打印任务，是未来3D打印建筑的发展方向之一，机械和软件集成开发对于小型群组机器人集合打印并提高打印精度的研发有着强力的推动作用。
(2)制定评价体系和建设规范标准。对于3D打印建筑的整体抗震性、防火性、使用年限的研究较少，与施工组织管理相关的规范较少，建筑各构配件的刚度、强度的质量标准缺乏[48]。目前，美国的材料与试验协会(ASTM)已经有了建筑3D打印的技术标准，我国关于挤出工艺的3D打印建筑技术及其水泥基材料也已经发布了《混凝土3D打印技术规程》(T/CECS 786—2020)，目前还有多部关于3D打印水泥基材料工作性能及力学性能的行业标准或协会标准正在编写。可见3D打印建筑技术相关标准体系正在逐渐建立，随着大量3D打印建筑的研究应用结果不断完善和相关标准的设立，3D打印技术将会走向市场化之路。
(3)建筑项目管理的变革。希望建筑设计师们能利用高度的设计自由重塑人们对建筑的思考方式[49]，也为项目经理等管理层把权力下放，形成自我监管的分散化管理方法指明了方向[50]。行业内的利益相关者(建筑师、工程师、客户、开发商、分包商、材料供应商乃至政府主管部门等)需要分担建造技术创新后的风险;除此以外，传统的建筑项目工业化是利用较高程度的预制和场外生产的方法，将增值活动转移到供应链的上游[51-52]，而3D打印技术的使用扭转了这一趋势，将增值活动重新转回建筑工地，只是将复杂部件的生产转移到场外，这对于建筑工业化的发展方向将会有极大的影响。
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基金项目：2021年云南省大学生创新创业训练项目“智增3D 打印工作室”(项目号：DC202110681039X);2021年云南师范大学“课程思政”建设项目《建筑制图》(项目号：2021kcsz26));2021年云南省大学生创新创业训练项目“基于光伏热解农业废弃物制备生物炭系统设计”(项目号：S202110681021S)
作者简介：黎家昕(2001— )， 男，汉族，广东恩平人，本科，研究方向：文物保护与3D打印技术。
*通讯作者：姚昊翊(1989— )，女，汉族，云南玉溪人，硕士，讲师，研究方向：建筑节能与太阳能光热利用。
作者：黎家昕 王金晶 吴连铭 罗川旭 姚昊翊
随着工业现代化的不断发展，传统的加工工艺已无法满足现代工业部件的加工需求，许多异形结构利用传统加工(包括五轴加工中心)很难加工或根本不能加工。随即3D打印机应运而生„„
3D打印机看似复杂，却很简单，也许你会为它神奇的能力而震撼，也许你会为它的高科技而惊呆，其实从1916年爱因斯坦提出激光原理时，已经为1986年第一台3D打印机的出现奠定了坚实的理论基础。说起3D打印机的原理其实一点也不复杂。
3D打印就是断层激光扫描烧结的逆过程，断层扫描就是把某个三位模型“切”成无数叠加的片;3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。其优势就是在于传统的加工方法是利用去除材料进行加工，而3D打印则是增加材料进行加工。这样与传统加工方式相比，3D打印机生产有材料利用率高，加工成型速度快，时间短，成型产品密度更均匀等优势，其中最大的优势在于不再受制于产品结构，只要设计师能想出的结构，3D打印机都能帮他实现。
传统的工业产品开发，往往是先开模具，然后再做手板，而运用3D打印技术，无需开模，可以把制造时间减少，费用降低，对成本更好的控制。而一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D打印技术，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效改善工业设计能力薄弱的问题。
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：
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。
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。
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。
3D打印机的应用领域及其广泛，从寻常百姓家的锅碗瓢盆，到关系到国家安全的国防事业，几乎各种领域都可以有他的身影。他的应用对象可以是任何行业，只需要这些行业提供3D数据模型或原型，3D打印机均可以加工。其中这些行业中对3D打印机需求较大的包括政府、航空航天、医疗设备、高科技研发、教育业以及制造业。
医疗行业：从2010年美国成功打印活体器官开始，似乎直接打印人体也并不是不可能，它更类似于克隆技术，他打印出来的活体器官不会与患者排斥。他还可以打印骨骼、牙齿等。我们可以预计在将来3D打印机的发展中，在医疗方面会引入一个全新的人体植入概念，让更多的患者看到希望。
产品研发：我们可以利用3D打印技术快速制造手板模型，这样不但保留原有结构的特征，同时还可以做比例缩减，缩短加工时间短，降低生产成本，减少产品改良时间，更适合产品研究开发。
建筑设计：在建筑业，工程师和设计师们已经开始使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成本、环保，同时制作精美。完全符合设计者的要求，切有节省大量的材料和时间。
食品产业。没错，就是“打印”食品。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。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。
、
汽车制造业。不是说你的车是3D打印机打印出来的(当然或许有一天这也有可能)，而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。
配件、饰品。这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，现在就可以实现。
3D技术的国内发展现状
国内3D打印技术近几年刚开始发展，企业开始了解这种加工方式但不认可，一方面是由于企业不能摆脱传统制造业的思维方式，另一方面则是由于加工成本过高，部件不宜利用3D打印机进行批量生产。而且国内打印机的发展还有以下缺陷
1.缺乏教育培训和社会推广
目前，企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。更有一切企业根本不知道3D打印是什么样的东西。而在教育教学方面，机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。得不到深入研究。
2.企业对技术研发投入不足
我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多具体环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。 3.产业链缺乏统筹发展
3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中，包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。
而在国外特别是美国，3D打印技术要比在国内发展早，企业早已熟知这种可能对世界加工制造业带来革命的新技术。所以相较于国内，美国对3D打印技术的研发生产投资都远远胜于我国。
当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人(300024)、人工智能、3D打印是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权，加快3D打印产业发展，可推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。
3D打印的未来
英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将“3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一”，这充分可以看出3D 打印机将来不是要取代某一个制造业，而是要取代几乎所有的制造业。未来你想要什么，只需下载图纸，按一下„打印‟键，就可以去喝咖啡听音乐了，剩下的所有事，请统统交给打印机。
未来的3D打印我们可以做什么?也许我们的房屋不在是人工建造的而是用3D打印机打印一个，我们不会受食物的匮乏而限制，想吃什么自己打;家里的常用物品不在需要购买，需要杯子自己打印一个，可以看出，3D打印会在将来给我们带来的便捷之处。
3D打印机的未来或将无所不能，只需要一个想法，一些材料，一台3D打印机，就能将脑中的一切转变为实体
高新区3D打印技术的发展设想和对策
采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会，鼓励研发，加强教育培训等措施，进一步促进3D打印社会化推广。
——制定数字化制造规划，促进3D产业优先发展
建议将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印，支持3D打印设备的进出口。
——加强产业联盟、行业协会建设，推动3D产业协同发展
积极引导工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印服务应用提供商组建产业联盟，利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流，共同推动3D打印技术研发和行业标准制定。促进3D打印技术发展的市场平台建设，包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等，促进产业可持续发展。
——加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平
设立专项基金，重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发。在研发扶持中，要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系，鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对3D打印产学研合作的支持，特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。
——加强教育培训，促进3D打印社会化推广
将3D打印技术纳入相关学科建设体系，培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和周边应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广。发展3D打印服务中心，推广3D打印技术应用，为发展3D打印产业积累应用经验。
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。
姓名：陈芷杨 年级：13级机制2班 学号：201330230203 摘要：美国学者杰里米·里夫金出版了《第三次工业革命》一书,在书中全面分析了第三次工业革命的全球性影响,他提出互联网、绿色电力和3D打印技术正引导着“第三次工业革命”。近年来，3D打印技术也开始在我国流行开来，印发了一股迅猛发展的潮流，各大高校以及各大大型也纷纷开始研究3D打印技术，希望在这次的潮流中获得一席之位，抢先一步掌握这一门引导“第三次工业革命”的技术。我们国家已经错过了第一次和第二次工业革命，虽然40年来一直奋起直追，但是我国的工业水平仍然与发达国家有着相当大的差距，仍然无法摘下那顶“Made in China”帽子。据中国3D打印技术产业联盟数据预估,至2016年中国将成为全球最大3D打印机市场。这是一份机遇也是一份挑战。本文以3D打印技术在中国的发展现状作为研究对象，对比国内与国外3D打印快速成型技术的差距，分析3D打印在我国的发展前景。
关键词：3D打印技术;发展现状;发展前景;措施与制度; 正文：
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。3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
3D打印技术分许多种，目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、熔融层积成型技术、立体平版印刷技术、激光烧结技术、激光成型技术和紫外线成型技术等等。3D技术该技术在珠宝、工业设计、建筑、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、军事以及其他领域都有所应用。可惜的是目前为止一些高端的民用3D打印技术仍然掌控在国外的几家龙头老大的公司里面，我国民间在3D打印技术的研发方面与国外有着很大的差距。不过好消息是据英国《简氏防务周刊》网站2月24日报道，中国人民解放军已研制出首幅使用3D打印技术的地形图，另外我国早在2000年前后，中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。这些都可以说明了我国对3D打印技术的重视程度与投入程度，可惜的是，我国掌握的这些技术主要是在军事方面，还无法投入工业的实际制造中。 3D打印快速成型技术的专利申请量趋势分析摇通过专利申请的分析,可揭示3D打印技术领域的历年专利申请及技术研况,从而掌握其技术发展趋势及全局动态。对检索到的国内外3D打印技术领域的专利申请量进行统计,结果见图
国内自20世纪90年代初才开始涉足3D打印技术领域,从图中可以看出,在1999年之前专利申请量较少,说明当时我国3D打印技术还处于时萌芽期,没引起足够的重视,是这也受到我国高科技技术人的缺乏以及3D打印技术研发成本高等方面的约束。2000-2007年间,专利申请量开始稳步增长,进入平稳增长期,2007年之后专利申请量快速增长,直到2011年国内申请量达到了20年来的最高峰,说明我国目前主要处在研发的快速成长阶段。
从国内外趋势线上反映的总体态势看,我国与国外技术发展差距近10年,处在不同的发展时期。这与研发者的学术敏锐、研发模式及国家层面的重视有关。因此,我国需加强政策扶持,加大研发投入,不断进行技术研发创新,逐步向产业化迈进,缩小与国外的差距
此外，环扫国内，桌面式3D打印市场基本处于仿制国外技术资源的阶段，拥有自主研发技术的公司并不多。值得关注的是，开源策略发生了变化，这对于国内多数的品牌3D打印机仿制者来说并不算是什么好消息，而逐步走向自主研发的道路也是必然的趋势。虽然这场变化基本在多数仿制者的意料之中，但是其发生时间却要比预期快很多。除此之外，我们国内用户与海外用户在对产品的态度也有着完全相反的态度：国内用户更为讲究实际和效果。在欧美地区，多数用户购买桌面式3D打印机是源自于个人兴趣，而国内用户主要是以工作为主。这也就是说，国内用户更加注重3D打印机的效果和稳定性，因此对于产品的小毛病都会嗤之以鼻。目前3D打印出来的成品在外观和尺寸上比从传统制造行业流程走出来的产品要差不少，国内3D打印制造商仍然需要不断的提高打印精准度，甚至加入打磨功能。
3D打印技术在国内没能够有大发展的另一个原因在于，国内3D行业“小而散”的局面影响了产业的推广。目前，我国在3D快速成型技术上的设备、材料及应用领域与国外尚有差距，而活体组织打印是未来重要方向发展3D打印技术。
其实由上图可以看出我国其实起步并不晚。这方面的研究在上世纪80年代末就已开始，研究力量集中在西安交通大学、华中科技大学和清华大学等高校。 目前，这3所高校仍是我国3D打印技术的研究重地，其中西安交通大学侧重研究光固化技术，华中科技大学的优势在于激光粉末烧结技术，而清华大学则侧重塑料堆积技术。我国生产的3D打印机装备功能已经接近国际先进水平，两者的差距主要体现在装备的可靠性和材料研发上。“部分3D打印机的关键器件需从国外进口，而用国产零件生产的打印机稳定性不够。”此外，我国在材料质量和品种上还远不如美国、德国丰富，许多研发的实验材料也需要进口。这些方面也导致国内对3D打印技术的研发成本大大的提高了，也是阻碍我国推广此项技术的绊脚石。
据华中科技大学材料科学与工程学院教授史玉升说，国内与国外虽然还有不小差距，但3D打印技术已经算是我国制造行业与国外先进水平差距很少的技术之一，部分领域几乎同步，在某些方面还具有自身特色和一定的优势。北京航空航天大学的王华明教授曾打印出世界上最大的钛合金复杂构件，产品整体性能远超锻件。值得再次提起的是我国的“3D激光焊接快速成型技术”已经是超越了美日，在国际上也是领先的水平。
目前不仅是在我国，在国际上3D打印技术也面临着一系列的问题：首先是缺乏宏观规划和引导。3D打印技术涉及的各大领域，也属于新能源新技术的研发行列中年，但在在我国工业转型升级、发展智能制造业、进入创新型国家的相关规划中，对3D打印这一交叉学科的技术总体规划与重视不够。此外，企业对技术研发投入也明显不足。我国虽已有几家企业能自主制造3D打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多具体环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求，而占据3D打印产业主导地位的美国3Dsystems、stratasys等公司，每年都投入1000多万美元研发新技术，研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件，而且以签约开发、直接购买等方式，获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利，已掌握一批关键核心技术。还有就是缺乏教育培训和社会推广。目前，企业购置3D打印设备的数量非常有限，应用范围狭窄。在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中，缺乏与3D打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。
为了在这场潮流中夺得先机，推动我国3D打印技术产业化、市场化进程，加快与国际间的对话交流，促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟于2012年10月15日在北京宣告成立。中国3D打印技术联盟是全球首家3D打印产业联盟，标志着我国从事3D打印技术的科研机构和企业从此改变单打独斗的不利局面，有利于尽快建立行业标准，集中展示我国3D打印技术的良好形象，也便于加强与政府间或国际间的广泛交流。
中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军表示未来3至5年是发展关键时期，工业级打印将成主要市场。据罗军估计，产业联盟成立后，国内3D行业统一了抱团发展的思想，未来3年内有望达到百亿产值。而市场缺口打开后，国内3D打印技术市场规模将保持至少一倍以上的增长速度，有可能成为世界3D打印的中心。
结论：
发展3D打印产业,可以提升我国工业领域的产品开发水平,提高工业设计能力;可以生产复杂、特殊、个性化的产品,有助于攻克技术难关;可以形成新的经济增长点,促进就业。面对新的生产方式变革和发达国家大力推进的"再工业化战略",我国也应高度重视3D打印等新型数字化制造技术的研发和产业化,加大人才培养、市场培育和应用推广的力度,努力在数字化革命和智能制造的"机会窗口"前取得3D打印产业发展主动权。 参考文献：
(1)作者：王德花,马筱舒 《需求引领 创新驱动——3D打印发展现状及政策建议》 2014年08期
(2)作者：王忠宏，李扬帆，张曼茵《中国3D打印产业的现状及发展思路》2013年01期
(3)作者：刘红光，杨倩，刘桂锋，刘琼《国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析》2013年06期
(4)作者：Ji De Zhang，Shu Fang Wang,Yan Hui Luan《Analysis of 3D Printing Technology in China - Taking Avic Heavy Machinery Co.,Ltd (600765) as an Example》
(5)作者：Jianzhong Cha,Shuo-Yan Chou,Josip，Stjepandi&cacute,Richard Curran,Wensheng Xu,Na Qi,Xun Zhang,Guofu Yin《Opportunities and Challenges of Industrial Design Brought by 3D Printing Technology》2014年
(6)作者：杨永强，叶梓恒，王迪，宋长辉，刘洋《3D打印设备国内产业化可行性分析》华南理工大学机械与汽车工程学院——2013年08期
(7)人民日报—— 2013-05-31——《我国3D打印与世界先进水平有哪些差距?》
(8)中研网——2014/12/19——《分析：我国必须尽快掌握3D打印核心技术》 (9)百度百科——《3D打印技术》http://baike.baidu.com/link?url=GayNxtuH-1JTQ6rK9-EX8bBYYQGYsmMX7WIRXB9rPwvH9nIL5OjNIFFpIYHE9WM-VRtTTtIW4dnEi3vmpTtBa7OgHybf3bUUftPpL9fQ17dL9A0W8dlWY69M874f9M91f4tonL4Mz16qg9_G2dGWqWwO_3epngC20n2p6zWS8JoMUf5WU6b-OC2ag0fMqU1x (10)作者： 王忠宏，李扬帆《3D打印产业的实际态势、困境摆脱与可能走向》 国务院发展研究中心产业经济部，清华大学经济管理学院——2013年08期
(11)作者：刘晓梅——东华大学——《第三次工业革命背景下3D打印业企业竞争力影响因素研究》
国内外3D打印技术的发展现状
一、“3D打印”技术
(一)基本原理。“3D打印”是通俗的叫法，学术名称为“快速原型制造 ”(Rapid Prototyping & Manufacturing)，是80年代末90年代初在美国开发兴起的一项高新制造技术。【1】“3D打印”技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，采用材料累加的新成型原理，直接由CAD 数据打印制成三维实体模型。快速成型系统就像是一台“立体打印机”，不需要传统的刀具、机床、夹具，便可快速而精密地制造出任意复杂形状的新产品样件、模具或模型。
【2】3D打印机原理很简单，每一层的打印过程分为两步，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，然后再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。完成后，要处理掉物品周围沾满的粉末，这是可以循环利用的，再涂上增强硬度的胶水。
“3D打印机”与传统打印机最大的区别在于耗材不同——后者使用墨粉，前者使用的则是一些可以发生固化反应的材料，如树脂、塑料、陶瓷、石膏、金属等等。例如：助听器生产部门利用3D打印机扫描患者的耳朵轮廓后复制出合适的助听器。【3】汽车定制公司利用3D打印机为汽车爱好者提供专门的汽车部件。消费电子产品厂商用3D打印机来完成对产品功能的设计，以避免在大规模生产后修改设计。医生用3D打印机来制造实习模型。博物馆用3D打印机复制真品，以避免参观者损毁真品，等等。
(二)发展前景及意义
【4】工业化最大的成就是通过机械化实现了规模化大生产。而我们今天的“3D打印”技术则将规模化大生产可能演变为若干个体，打破集约化生产的传统模式。只要一台3D打印机，我们就可以在家里生产任何我们需要的东西，而且可以不断变化款式、样式。如今，新的生产方式已经发生了重大改变，传统的生产制造业将面临一次重新“洗牌”。【5】随着各种打印材料(即制造原料)的研制成功，“3D打印”技术已经可以用于生产像珠宝、玩具、工具、厨房用品、衣服之类的东西，甚至可以直接打印人体骨骼、假肢、鲜肉，进行牙齿正畸和数字化种牙，有的还打印出了汽车、飞机零部件。未来我们的模具制造行业、机床行业、玩具行业、轻工产品行业或许都可能被淘汰出局，而取代他们的就是3D打印机。当然，这需要一个过程，10年或者20年，主要是人们适应和接受新事物的过程，也有产业自身完善成长的过程。
二、国内外“3D打印”技术及产业发展应用情况
(一)国内外产业发展情况。“3D打印”技术的历史由来已久。1986年，美国3D System公司推出了第一款工业化的“3D打印”设备，1990年开始销售，短短几年中，形成了巨大的市场，1994年底全球已达900台，到2008年年装机总数就已经达到6000台左右，以指数曲线在上升。【6】3D打印设备应用的方式有两种：一种是大企业为自己的产品开发服务，如美国三大汽车公司、麦道、IBM、Apple、丰田等都在应用;另一种方式为大学、研究所甚至
六、七个人组织的服务机构以一台或数台成型机为中心，开展对中小企业的服务。目前，全球有两家3D打印机制造巨头，分别为Stratasys和3D System，均在美国纳斯达克上市，2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。2011年全球3D打印市场规模17.1亿美元。不过，这一数字仅占全球制造市场的0.02%。
【7】我国从1994年开始研究“3D打印”，北京隆源公司于1995年成功研发了一台AFS激光快速成型机，随后华中科技大学也研制出了SLS快速成型机。目前国内依托高校成果，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(依托于清华大学)、陕西恒通智能机器(依托西安交通大学)、湖北滨湖机电(依托华中科技大学)。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。另外，一些中小企业成为国外“3D打印”设备的代理商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。【8】还有一些中小企业购买了国内外各类“3D打印”设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设立了“3D打印”服务中心，发挥科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。
目前,国内的“3D打印”主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。据业内人士估计,3D打印机在国内企业级装机量在400台左右,2010年以来年增速均在70%左右,市场规模超过1亿元。
三、制约我国”3D打印”技术及产业发展应用遇到的瓶颈和问题
“3D打印”技术虽然已有近20年的发展历程，但产业发展仍存在很多困难。
一是认识不足。虽然3D打印机的发展已有数十年，但是对大多数普通人来说，目前“3D打印”技术还是一个新生事物，很多企业甚至从没听说过还有这种具有“神秘功能”的机器。
二是价格不菲。目前，“3D打印”的耗材非常有限，主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等，消费类的“3D打印”主要应用的材料为ABS和POA的塑料，不能完全满足工业领域的需求。【9】工业应用的“3D打印”耗材，特别是金属粉末类耗材，价格非常昂贵，这是制约国内企业使用“3D打印”技术的原因之一。比如一件飞机零部件，打印这种样品的金属粉末耗材一斤卖价4万元，3D打印样品至少要卖2万元，而如果采用传统的工艺去工厂开模打样，仅需几千元。【10】目前的3D打印机除了用来满足个人设计师和普通爱好者的个人3D打印机之外，其他的工业用3D打印机均价格不菲，每套大概需要十万美元左右，精度高的甚至达到120万美元。
三是工艺尚不完善。【11】由于“3D打印”工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用，不能作为功能性部件，只能做原型使用。
四、加快我国“3D打印”技术及产业发展应用的对策
【12】发展“3D打印”产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，同时有助于攻克技术难关，并且容易形成新的经济增长点，促进就业。
参考文献：
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3D打印机诞生于20 世纪80 年代中期，是由美国科学家恩里科·迪尼(Enrico Dini)最早发明的，发展至今已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，它可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间和成本。
与传统的纸质打印机不同，3D打印遵从的是加法(堆积)原则。打印时，先用相关软件将产品图纸转化为3D图像数据并上传电脑，通过3D打印机，放入相应特殊的耗材( 胶水、树脂或粉末等)后，打印喷头就会根据图像数据一层一层地将东西打印出来，再堆叠在一起成为一个立体物品。3D 打印机可以用各种原料打印三维模型，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，由此可以根据不同需求打印出塑料玩具、饰品和金属零件、产品模型等，甚至可以用不同颜色材料打印出彩色3D模型。
随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印机将呈现四个方面的发展趋势：
(一)3D打印速度和效率将不断提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升;
(二)3D打印材料更加多样化。随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料;
(三)3D打印机价格大幅下降。一些较小规模的3D 打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用，3D打印机的价格有望大幅下降。
(四)3D打印机应用领域更加广泛。3D打印机诞生后，早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。
随着3D打印技术的不断发展和完善，在不久的将来3D打印机将会普及，甚至走入家庭，我们期待着这一天。
3D打印机
彩色3D打印
金属3D打印
3D医学模型
3D维纳模型
3D打印机耗材
[摘 要]3D打印技术作为一项新兴产业技术，被称为是第三次工业革命的标志，可见未来其对经济发展的作用巨大。首先对3D打印技术的概念进行了界定，分析了其具有的不增加成本、生产及时、设计空间无限和绿色生产的独特优势;然后从有效供给、新的经济增长点、就业和创业、转变经济发展方式角度来分析其对经济发展的作用;最后，从经济政策、技术研发、人才培养、行业准则等方面提出了促进其更好为经济发展服务的可行性对策。
[关键词]3D打印技术;经济发展;技术优势;主要对策
[中图分类号]F062.9 [文献标识码]A [文章编号]
2095-3283(2014)05-0073-03
[作者简介]张莹梅(1992-)，女，黑龙江五大连池人，本科生，研究方向：金融理论与实践;李善香(1989-)，女，山东临沂人，本科生，研究方向：金融理论与政策;王景利(1978-)，男，内蒙古突泉人，讲师，经济学硕士，研究方向：计量经济学，宏观经济学。
[基金项目]2013年教育部国家级大学生创新创业训练计划项目“分析3D打印技术对经济发展的影响”(项目编号：201310245007)及哈尔滨金融学院大学生创新创业训练计划项目资助的阶段性成果之一。
2012年4月21日在英国的《经济学人》上发表了一篇题为《第三次产业革命》的论文，在该文中将3D 打印技术堪称是第三次工业革命的重要标志之一，这一观点当时引起了国内外的广泛关注，人们对其众说纷纭，各有其侧重点。而在经济学界，人们最关注的问题主要是3D 打印技术是什么?它的发展优势和对经济发展的作用如何?如何充分发挥其优势且更好地为经济发展服务?如何促进其科学发展?下面就这些问题展开分析。
一、3D 打印技术概述
(一)3D 打印技术的涵义
3D 打印技术是一种三维立体式打印，更加接近于客观事物，是一项新兴的技术，目前在国外已经得到一定程度的发展与应用，取得了一定的成果，被称为具有工业革命意义的创新制造技术。它的工作流程主要分两步：首先通过先进的计算机软件设计出理想的立体式产品模型，然后通过在3D 打印机中添加液化、粉末化、丝化的原材料逐层打印出3D式样的产品。可以看出，3D 打印技术的关键有两点：一是立体式模型的设计;二是原材料的制造与添加。
(二)3D 打印技术与传统的数控制造的区别
3D 打印技术的主要实现方式是“添加型”制造，这一点与传统的“去掉型”数控制造正好相反，这也显示出了其独特的优势或特点。传统的“去掉型”制造方式是以原材料为基础，通过切割、消磨和熔腐等方法，去除掉多余部分，得到各种所需要的零部件，再通过焊接和拼装的方式组合成最终产品。可见这样制造产品的程序相当繁杂，产品研制周期长，生产成本高且效率低，而3D 打印技术的“添加型”制造通过在3D 打印机中添加原材料就可以直接制造出或打印出任何形状的物体，使产品的制造程序大大简化，产品的研制周期间接显著缩短，促进了生产效率的提高和生产成本的大幅度下降，大大提高了产品的市场竞争力，因此可以显著提高经济效益。
二、3D 打印技术的经济优势分析
近十几年来，在计算机功能迅速提高、电脑设计软件的不断出新，新物质材料的不断发现与发明，自主创新能力的显著提高和互联网发展的推动下，3D 打印技术被发明且发展迅速，在其发展过程中，其经济优势充分显示出来，这已在实践中得到证实，主要包括以下几个方面：
(一)在生产复杂产品或变换产品样式时不增加生产成本
在传统的“去掉型”制造方式下，如果所生产的产品越复杂精细，会需要更多的生产时间、人力、财力和物力，使得制造难度加大，导致生产成本越高，在同样的价格下会使企业的利润下降或降低其市场竞争力。然而，在利用3D 打印技术方式下，以3D 打印机为例，制造一个华丽精细复杂的产品与制造一个简单的方块所消耗的时间、技能或生产成本一样，只不过是一台3D 打印机需要设计不同的模型和新的原材料罢了，这种不增加成本的优势将会改变传统的计算生产成本方式和定价模式。
(二)按需零时间交付式生产和产品设计空间无限
3D 打印可以按照需求及时生产，有利于降低企业的实物库存，生产厂商可以按照客户的订单使用3D 打印机及时制造出使客户的个性化需求得到最大限度的满足的立体式产品，有利于大幅度提高消费者的效用水平，这将改变传统的需要时间的商业模式，零时间交付生产能最大限度地降低长途运输成本，有利于实现人们按需就近生产的目标。此外，传统的制造产品在形状上由于受到使用工具的有限功能限制，只能生产出有限形状的产品，而3D打印机则打破了这种局限，开辟了巨大的设计空间，可以说3D打印技术可以制造出任何形状的产品，来满足人类欲望的无限需求，有利于解决供需矛盾。
(三)有利于实现绿色经济目标
在传统的生产方式下，人们先生产所需的零部件，然后对这些零部件进行组装来生产物品，而3D打印技术能使生产的物品的各部分一体化成型，无须组装，这就使得供应链缩短了，节省了劳动力资源和运输费用，供应链越短，环境污染也就越少，有利于实现绿色生产，此外3D打印技术还降低了废弃的副产品的排放，据权威部门统计，传统的加工制造业中，约有90%的金属原材料被丢弃在工人车间里，而3D打印技术将金属制造业的浪费大大降低，而且随着3D打印技术水平的提高和打印材料的进步，“净成型”制造将成为未来更环保的加工生产方式，有利于实现人类梦想的绿色经济时代。
三、3D打印技术对经济发展的作用
(一)3D打印技术有利于提供有效供给
近年来，随着科技的进步，人们收入水平的提高，对生活中物品质量的要求也越来越高，导致了现实中出现企业所生产的产品严重过剩，消费者却买不到自己想要买的产品，使产品市场中出现了供求矛盾，表面上是供过于求，实际上是供不应求，造成了稀缺资源的严重浪费。3D打印技术的出现在一定程度上会缓解上述供求矛盾，因为3D打印技术是按照消费者的个性化需求来设计和制造产品的，可以有效提供消费者所偏好的独特商品，有利于实现产品市场供求平衡的理想状态，有利于实现稀缺资源的优化配置和充分利用。
(二)3D打印技术有利于培育新的经济增长点
近年来，3D打印技术发展迅速，很多国家都已加入到3D打印技术的研发与应用中来，其应用领域相当广泛，几乎遍及所有领域，已经成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段，尤其在航空航天、国防军工、汽车摩托车、生物医药、家电、建筑工程、教学研究、农用工具等领域已经得到一定的应用，取得了良好的效果，从维基百科英文版文献获取数据(见图1)可知：从3D打印技术市场应用份额来看，3D打印技术应用在汽车及零部件领域占37%，消费品领域占18.2%，航空航天和国防军工领域占13.7%，商业机器领域占11.2%，医疗领域占8.8%，科研领域占8.6%，可见各个经济领域应用3D打印技术的市场开发空间还很大，这为各国培育新的经济增长点指明了未来的方向与方法，在一定程度会缓解目前各国经济发展缓慢的局面。因此，3D打印技术必将成为各领域大批量个性化生产的主要模式。
图1 当前3D打印技术应用主要领域的产品份额
资料来源：维基百科英文版文献资料
3D打印技术与现代农业、现代工业和现代服务业紧密结合，必将衍生出新的细分产业、新的商业经营模式，培育或创造出新的经济增长点。例如自主创业者可以结合自身的创业领域的实情，购置3D打印设备，为其需求者提供个性化的服务，有利于形成一批数百亿或数千亿元规模的创业产业，促进经济快速发展，与此同时，在3D打印产业发展过程中，必然会提供很多的就业岗位，通过创业来带动就业，有利于扩大创业和就业的范围，能有效缓解就业难的问题，使人力资源得到充分的利用和发挥，充分体现科学发展观的基本要求。
(三)3D打印技术有利于经济发展方式转变
3D打印技术具有在生产复杂产品时不增加生产成本，生产及时有利于实现产品市场的供求平衡，绿色环保的生产方式可以实现绿色经济，而且3D打印技术具有一体化成型的独特优势，有利于化解在使用数控技术生产产品时遇到的技术难题，如复杂形状的设计、技术研发成本的计算、排放垃圾的技术处理等问题，而这些难题在3D打印技术下，可依靠3D打印的高端技术实现三大产业的现代化，优化现代农业、现代工业和现代服务业的产业结构，实现三大产业快速均衡发展，提高经济增长的质量和效益，促进经济发展由“减材”生产转向“增材”生产，转变生产方式一方面有利于减少稀缺资源的浪费，另一方面有利于减少垃圾排放，促进经济发展与人口、资源和环境之间协调发展，实现经济又好又快发展。
四、促进3D打印技术为经济发展服务的主要对策
(一)将3D打印技术纳入到经济发展战略规划的重要位置，促进其优先发展
由于3D打印技术引起人们关注的时间很短，对于消费者来说是新生事物，导致很多消费者既不了解也不相信3D打印技术，据发放的1000份有效问卷调查获悉，在我国消费者中大约有70%左右的人质疑3D打印技术的可行性，为了消除这种顾虑，最有效的方式就是依靠政府的权威性，通过制定经济政策或经济发展战略规划，将3D打印技术纳入到国家产业规划中，并且放在重要位置加以强调，与此同时，政府在经济政策上尤其是财税金融政策上要为3D打印技术企业提供优惠，积极支持和引导企业进行3D打印技术的投资、研发、生产和应用，支持3D打印设备的进出口，从而带动经济增长和促进经济发展。
(二)加大科研投入，提升3D打印技术的核心竞争力
3D打印技术是一项新兴技术产业，虽然近年来其引起了世人的广泛关注，发展速度也很快，但是其核心技术研发仍处于发展的初级阶段，产业还不成熟，从世界各国和地区3D打印技术应用的市场份额(见图2)便可以看出。与此同时也说明3D打印技术的发展潜力巨大，市场空间更广阔。在市场经济环境下，谁首先掌握了最新的3D打印的核心技术，谁就最先抢占了最有利的市场领域和空间，占据了3D打印技术市场的主导权或垄断权。目前我国已经成为继美国日本德国之后的第四个3D打印设备的拥有国，因此，我国一定要尽快进一步的加大科研投入，研发出世界最前沿、最尖端的3D打印技术，并且将该技术转化为现实生产力，使我国在3D打印技术领域处于世界领先地位，早日实现赶日超美的目标，使我国成为世界上最强大的3D打印技术国家，促进3D打印技术更好地为经济发展服务，为国民经济实现跨越式发展和早日跨越中等收入陷阱提供强大的科技支撑。
图2 各国和地区3D打印技术应用的市场份额
资料来源：黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”?新材料产业， 2013(1).
(三)加大人才培养，促进3D打印技术设备与人才配套
由于3D打印技术是一项多学科交叉的高新技术，主要包括信息技术、精密机械和材料科学。因此，如能使3D打印技术设备应用于实际，必须有掌握3D打印技术的专业人才来操作，而这种人才最好能将三种技术更好地融合来实现3D打印技术的发展与创新，因此，可以通过3D打印技术设备生产企业与高等院校和科研院所合作或依靠行业协会、展览会、研讨会等组织形式进行3D打印技术人才的培养，实现3D打印技术设备的供给与需求的有效对接，促进产供销资金链的有效循环，为3D打印技术进一步发展提供有效的资本保障，促进其健康、稳定、快速发展，更好地为国民经济发展服务。
(四)制定3D打印技术行业准则，保证其产品和服务市场公开、公平、公正
制定行业准则的目的是为促进3D打印技术产品市场健康发展保驾护航，目前，3D打印技术产品市场在国内还尚未成熟，作为一个新兴产业，其内部的利润空间巨大，但由于3D打印技术研发成本较高且风险较大，很多企业都在处于观望状态，一旦一项新的技术被研发出来并且被应用于实际产生了巨额利润，潜在的竞争者或观望者就会通过高仿手段进入该市场，导致出现无序的恶性竞争局面，会造成“劣币驱逐良币”的市场结果，这样会严重损害投资者和研发者的利益，不利于3D打印技术产品市场的进一步发展。因此，政府要制定3D打印技术行业标准，对违反行业准则的个人或企业给予严厉的警告或处罚，鼓励和引导企业进行自主创新，形成属于自己的3D打印技术品牌，保证3D打印技术市场稳定健康发展，为促进国民经济健康发展增添强有力的“砝码”。
综上可知，3D打印技术具有很多的发展优势，对经济发展的作用巨大，但在其发展与应用过程中也存在一些问题，例如，3D打印机的市场价格高，据调查一般都在2万元以上，对于普通消费者很难接受，即使在淘宝网上能买到售价在三千到六千的产品，但是大部分都是仿制品，软件简单，操作性差，打印原材料昂贵，运行速度慢，稳定性能差，如果中途断电整个模型将完全报废，而且产品售后服务严重短缺等。出现问题在其发展的初级阶段是很正常的，随着科技的进步和对市场的宏观调控，这些问题会逐渐得到解决，应进一步深入研究3D打印技术，最大限度地发挥其优势，防止问题的出现，促进3D打印技术更好地为国民经济发展做出更大贡献，早日实现中国的3D打印技术强国之梦。
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(责任编辑：梁宏伟)
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