基于物联网技术的3D打印机设计
随着科学技术的快速发展，3D打印技术渐渐地走入了我们的视线。本设计实现了一种基于物联网技术的3D打印机。采用了WiFi通信技术，蓝牙无线传输技术。以ATmega2560微型控制器为主控核心，来控制3D打印机的三个电机，以及解析STL文件，并控制加热模块进行系统性协调控制。通过WiFi传输模块建立通信，实现云平台和3D打印机之间的信息连接。本设计使用的控制体系完善，实时性强及远程控制，效率高和成本低等优点。
三维打印，是快速成型技术的一种工艺。以数字模型文件为基础，使用石膏粉，金属粉或塑料丝等材料，采用层层堆积的方法制作出三维模型的技术。但是大部分的3D打印机都是传统的单一设备，这是传统3D打印机的一大弊端。使用移动通信技术可以实现3D打印机数据的远程交流。
本文致力于设计一款全新的物联网3D打印机，使用WiFi通信模块建立Arduino控制器與云平台之间的通信。使得用户可以通过云平台与3D打印机实现信息传输，然后通过一定驱动电路驱动电机，设计3D打印机的控制系统。在控制系统中，首先3D打印机接收云平台传输的数据，数据处理模块分析数据，并建立好3D模拟图型，将模型改为STL格式文件。Arduino控制器识别代码文件并处理，发送相应的指令到打印机各个部分，并做出响应。
一、系统设计
(一)系统总体设计
基于物联网技术的3D打印机主要分为硬件和软件两个部分，软件部分主要是通过WiFi通信模块建立通信网关，接入云平台服务，并通过无线通信的方式，将数据传输至3D打印机，用户可以通过云平台实时控制3D打印机。硬件部分主要分为5个模块，分别为Arduino Mega2560模块、WiFi通信模块设计、步进电机驱动模块、蓝牙无线传输模块、LCD液晶显示屏模块。Arduino Mega2560模块作为3D打印机的控制核心，主要用来处理电脑所传输的STL所解析的代码文件。步进电机驱动模块的作用是控制三个电机X轴、Y轴、Z轴配合工作完成打印，蓝牙模块主要用于LCD显示屏模块和打印机之间的信息传输，LCD液晶显示屏模块主要用来实时监测打印机的状态。物联网3D打印机的总体设计框图，如图1。
(二)硬件设计部分
(1)Arduino Mega2560模块
A r d u i n o是全球最流行的开源硬件平台之一，Arduino已经被用于数千个不同的项目和应用程序中。Arduino软件不仅易于初学者使用，而且对于高级用户来说也足够灵活，它是跨平台的可以在在Mac、Windows和Linux上运行。3D打印机基于Arduino核心控制，ATmega2560微处理器为主控器，接收OneNet所发送的数据，数据处理模块分析数据，并建立好3D模拟图型，在分析，处理，生成相应的代码文件。
(2)WiFi通信模块设计
本设计所采用的芯片是ESP8266，采用ESP8266作为研发平台，主要是因为其超低成本，并且将处理器和WiFi芯片精致集成在一起，具有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能。ESP8266是一个完整组自成体系的WiFi 网络解决方案，能够搭载软件应用，就是说可以将应用直接在ESP8266上运行，或通过另一个应用处理器进行业务逻辑处理，使用ESP8266的WiFi网络功能。Arudino控制器和该芯片能够实现串口通信，可以快速实现3D打印机之间的网络通信。
(三)步进电机驱动模块
3D打印机其打印过程主要通过X轴，Y轴，Z轴的协同完成，控制三个坐标的运动，主要是通过步进电机实现的。本次设计采用的步进电机驱动模块是A4988。该模块有多个电机驱动接口，对三个电机能实现精准的控制。
(四)蓝牙无线传输模块
LCD液晶显示屏与蓝牙模块传输指令时，为了提高传输效率性和快速性，添加了蓝牙无线传输模块，实现数据的无线传输功能。本设计所采用的蓝牙模块是CC2541，通过配对协议之后，可以通过串口通信使得LCD液晶显示屏与3D打印机控制体系之间进行数据传输，保证了数据传输的正确性和稳定性。
(五)LCD液晶显示屏模块
LCD采用了了KNY3030A串口屏，3D打印机的所有参数状态都是通过LCD液晶串口显示屏模块显示。该显示屏通过串口通信方式与蓝牙模块进行连接，当3D打印机接收到OneNet云平台所传输的数据，经过分析处理后，通过蓝牙无线传输发送到LCD液晶显示屏。通过LCD液晶显示屏显示的数据，我们可以非常便捷地知道3D打印机的工作状态，并且可以快速控制3D打印机。
三、软件设计部分
(一)网关软件设计
由用户通过OneNet云平台传输信息，开启和初始化WiFi无线通信模块。WiFi模块联网成功之后，将数据通过WiFi无线通信传输发送到数据接收模块。如果接收到了数据，将由3D打印机中的数据处理模块处理分析数据，3D打印机开始运作，3D打印机所采集到的数据通过反馈的方式到OneNet云平台。
(二)云平台软件设计
本设计所采用的云平台是OneNet物联网开发平台，OneNet云平台是由中国移动公司搭建的开放型平台，为各种物联网应用，提供了简便的云端接入，信息存储，数据计算，能够极其快速打造物联网应用，极大节省了开发成本。OneNet所采用的协议是EDP协议，该协议能够有效的提供设备的数据存储，数据加密，数据传输等功能。OneNet云平台在本设计中属于数据发送部分，用户通过OneNet云平台向3D打印机传输信息，来达到远程控制打印机的目的。物联网3D打印机的软件部分流程图，如图2。
四、总结
基于物联网技术的3D打印机采用了云平台服务，并使用了ZigBee技术，这是一种新兴的无线通信技术，能够满足近距离的无线通信。采用的Arduino控制器具有具有功耗低，成本低等优点。用户可以通过云平台向3D打印机传输数据，来控制3D的打印机的运作。LCD液晶显示屏可以实时显示3D打印机的各项参数，方便用户查看3D打印机的状态，能够极大地提高打印机的效率及成功率。
作者单位：西北民族大学 电气工程学院
作者：王胜
3D打印(3D printing)，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(AEC)、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、枪支以及其他领域都有所应用。
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。以一个手电筒为例，3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描，创建三维设计图，之后对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，打印机将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去，直到最终造出一个手电筒来，只不过3D打印机喷出的不是墨粉，而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。
3D打印起源于19世纪末美国研究的“快速成型”——照相雕塑和地貌成形技术，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。3D打印的原理是：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品，可以即时使用。
3D打印具有如下优点：
(1)3D打印成为工业化力量。3D打印技术最突出的优点是无需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，提高生产率和降低生产成本，成为工业化的重要力量。(2)3D打印开始治病救人。因为3D打印产品可以根据确切体型匹配定制，通过3D打印制造的医疗植入物将提高你身边一些人的生活质量。这种技术已被应用于制造更好的钛质骨植入物、义肢以及矫正设备。(3)定制化成为常态。通过3D打印技术，创新公司根据用户对产品确切的具体信息进行定制，通过3D打印制造并直接将产品送到用户的家门口。(4)产品创新速度加快。由于运用3D打印的快速原型制造技术能够缩短把产品概念转化为成熟产品设计的时间，设计人员将能够专注于产品的功能，使他们能够在设计的早期阶段就打印出原型产品、进行修改以及重新打印等等，从而加速创新，其结果将是更好的产品以及更快的设计速度。(5)3D打印开始广泛应用于电影工业。由于3D打印是一种快速成型技术，对于制作复杂电影道具具有成本低、时间快的优势，高仿真的电影道具已经使用了3D打印技术来制作面具模型、汽车模型和其他功能性道具。
美国和欧洲在3D打印技术的研发及推广应用方面处于领先地位。美国是全球3D打印技术和应用的领导者，欧洲十分重视对3D打印技术的研发应用。除欧美外，其他国家也在不断加强3D打印技术的研发及应用。澳大利亚在2013年制定了金属3D打印技术路线;南非正在扶持基于激光的大型3D打印机器的开发;日本着力推动3D打印技术的推广应用;中国3D打印设计服务市场快速增长，已有几家企业利用3D打印制造技术生产设备和提供服务。据美国消费者电子协会最新发布的年度报告显示，随着汽车、航空航天、工业和医疗保健等领域市场需求的增加，3D打印服务的社会需求量将逐年增长，有望从2011年的17亿美元增长至2017年的50亿美元。
随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域。
3D打印技术日渐普及，应用于医学、建筑和军事等范畴，甚至开始家用化。但该技术在逐渐被广泛应用的同时，危害也日趋暴露出来。据香港《东方日报》报道，美国研究显示，家用3D打印机在室内运作时，会释放大量有毒超微细粒子(UFP)，有害程度相当于吸食香烟，影响人体健康。除健康问题，3D打印也引发公众安全隐忧。一名加拿大男子上传短片展示他以3D打印手枪为蓝本，打印出一支塑胶步枪，并成功发射子弹，但发射后枪管裂开。
作者：梁锋
摘 要：3D打印技术理论与实践的结合应通过有效载体进行推广。从FDM型选择、理论学习与研究、样机设计与制作，总结了3D打印技术应用于教学使用过程中的理论、实验，以及制作可行性，满足课堂教学、实验实践的需求，有利于3D打印技术在高校的学习推广。
关键词：FDM型3D打印机;制作;教学
1 绪论
随着我国工业发展要求的不断提升，3D技术已逐步受到社会和高校科研师生的关注。全国第九届大学生结构设计大赛分赛段装配式桥梁结构模型制作，明确进行了应用3D打印机虚拟制作环节;3D动力大赛机械产品赛事也逐步从模拟三维造型向3D打印实物要求逼近，等等。[1]
本文项目研究组初衷是基于教学研全方位了解、认知一台3D打印FDM型机器。随着项目进程的不断学习和参加创新活动不断深入，也越发体验到制作和运行机器，对复杂的3D打印知识掌握具有非常直观有效的学习作用，更具有在大学生开展3D打印教学研初级阶段快速掌握基本知識框架的现实意义。
2 3D打印FDM型选择
FDM全称Fused Deposition Modeling，即熔融沉积成型技术，其工作过程为：计算机建模后，转换输入打印机控制器，控制器协同打印机喷头，将丝状材料融化喷出，根据喷头与工作台、步进电机等协同，层层打印形成三维实体。
选择FDM型一方面根据大学生教学使用，它具有设备成本低、原料高效无污染、器械及试验轻便等优点;一方面是3D打印领域其它类型选择所需投入机器成本、场地和环境要求等，高校教学或大学生创新实践都不能较好适应。
当前市场和高校的3D打印机，FDM型常见主要类型有三种：三角洲3D打印机、i3打印机、Makerbot 3D 打印机。[3]根据教学使用为出发点，每种打印机都在设计方面具有自身独特的优势，但也存在其教学研究等领域狭小的不足。因此，综合各打印机情况，创新开发具有自身特点的教学多用途打印机变得尤为重要。本文项目研究组通过调研与研讨，制作一台基于教学使用的FDM型3D打印机作为课题项目进行了组队研发。
3 教学使用FDM型3D打印机结构设计
一台机电产品都有自身通用的要求，包括框架安全性能、传动动力控制、打印控制系统、喷头平台设计等。经调研与研讨，FDM成型要求所具备的传动动力、传动方式、运动方式等，在三角洲3D打印机、i3打印机、Makerbot 3D 打印机上都根据自身结构特点选择了适合的方式呈现，其最大区别在于运动方式的不同而对其进行了区分。
从教学使用和打印实践来看，本次设计一方面要尝试传动方式的改变，由带传动改为齿传动;另一方面要尝试在打印实践方面改进打印精度，进行喷头装置控制配合的新方法。
3.1 外支撑框架设计
熔融沉积打印机有很多种类型，其中最常见的有两种类型[4]：
类型1：笛卡尔3D 打印机
它由三个导轨组成，沿着笛卡尔平面的轴线运动。选择控制笛卡尔3D 打印机的运动是相当简单的机械和软件，因为只有沿着轴线直线运动。现在市场上的3D 打印机大多数使用笛卡尔系统。
类型2：Delta 3D 打印机
它通常由三垂直导轨组成，其运动是通过他们上下移动的。它们直立在三角形结构中。挤出机连接到这些导轨与三臂，由于运动比较复杂，因此很难以找到打印机的头部位置。Delta 打印机在业界和3D 打印消费群体中越来越受欢迎，这是因为这种打印机可以更快的打印模型，而且比笛卡尔坐标的打印机更加紧凑。
在参考两种类型结构的基础上，团队调研研讨构架出设计三维如图1示。
三维构图3.1两个立起来的丝杠是我们所使用笛卡尔坐标系中的Z轴，另外一个丝杠就是Y轴，从这两个轴建成一个平面，把喷头运动方向建为X轴并垂直于Z轴，这样笛卡尔坐标就构建完成，外支撑框架设计构图完成。
3.2 喷头平台设计
由熔融沉积打印机的原理可知，它是由熔丝慢慢的挤出，然后一层一层的堆积成型，熔融沉积打印机可以通过降低层高和使用直径较小的喷嘴，在一定程度上提高精度。虽然这些方法提高了精确度，打印表面还是有不平行的问题出现。[5]并且在打印过程中，当改进精确度时，打印机是通过降低层高度或使用喷嘴直径越小，零件的打印时间就会延长。综上所述，利用一杆多喷头的方法，从而达到每次挤出都会变小，减少每一层的间隙，得到精度的提高;多喷头工作减少时间消耗，喷头平台设计雏形完成(见图2)。
3.3 传动动力控制设计
与传统动力控制不同，本次3D打印机动力控制主要采用步进电机控制所有的轴和挤出机。从动力学来看，步进电机需要完成轴运动和挤出机喷头两个运动，因此需要选择两个电机，或进行理论与实验选择一个电机。
步进电机是由一个多齿的磁性齿轮驱动的，在定子中有装有相应齿的电磁铁连接到马达的转子。轴运动阶段的拉扯和推挤，选择适合齿轮的牙以不同的力，得到多个齿步就可完成。而挤出机所连接的喷头就需要配合喷头运动进行实验完成匹配。
选择挤出机的步进电机还需要考虑所用喷嘴的直径。通过理论研讨和实验设计，我们找到了比较符合的三种步进电机，这三种电机的型号为JK42HS34.1334A、SM.42BYG011.25、42BYGHM809，根据线材向下运动要考虑到步进电机的步进角，还有扭矩，团队实验后数值如下表所示。
根据上表实验数据，结合选择喷嘴的直径和控制软件，型号为SM.42BYG011.25的步进电机最符合整体设计所需。
3.4 打印控制系统
本次设计教学使用的3D打印机FDM型起初选择了市场较为稳定的Mega 2560控制板，但鉴于多喷头兼容性及后期扩容等实际问题，样机改选为RepRap 奥梅罗德使用的一个开源的控制器板Arduino 的微型控制器与四A4892 步进驱动器，该控制系统传输是以以太网、高速 SD 卡插槽、高电流 PWM，12A 35v 直流电源输入和其他组件兼容，这样A4892 步进驱动器进入1/16 微步，提供了更高精度。
3.5 样机组装
本文项目研究组所呈现的是一台基于教学使用的3D打印FDM型样机设计，打印材料使用PLA;该打印机主要由控制板、打印驱动及电机单元、机械运动单元、打印喷头、反馈检测单元、打印零件分层程序等组成;该打印机可以用来制作模型及机械等各种零部件。
(1)主要设计参数：
工艺选用：FDM
外框尺寸：400*400*360
工作尺寸：200*200*150
打印喷头：单打印头
耗 材：PLA
(2)重要組装及原因分析：样机框架材料采用用的是2020的铝型材，使用2020铝型材是因为此型材的承重和3D打印机外框的安装是最合理的型材;打印平面采用的是200*200*150的打印空间，外框材料尺寸选择了400mm长的铝型材两个，360mm长的铝型材两个，组装为400*400的3D打印机的平面支架;在360mm的两铝型材上安装T型立式铝合金支架用来支撑Y轴，Y轴的运动路线和距离就确定了;在400*400的平面支架上的400mm的铝型材上还要安装两个Z轴的电机支架，样机组装后如图3所示。
4 制作中遇到的困难
制作教学使用的3D打印机FMD型，原期望解决的传动方式由齿动替代皮带轮动，鉴于实验中的齿动不稳定性，改为了一机带多动的处理方式，但仍采用了皮带轮动的传动方式。
为追求打印精度，所制作的3D打印机把喷嘴的直径变小，对打印件的精度是变高了，但是对于这种熔融沉积的打印机的打印速度反而拖慢了。
为提升打印速度，期望用多喷头叠加来减少耗时，而在编程过程中，目前通用软件无法完成一控多的现状，对于这个问题还是有待研究。
5 结语
制作过程中，本文项目研究组主要研究了基于FDM型的3D打印技术。目前市场和科研单一的划分三种平台设计类型，在本样机设计中有了较好的相互借鉴：一方面，通过FDM型的3D打印技术理论分析，从喷头设计、成型精度提升设计等方面进行融合;另一方面，运用步进电机的理论与实验数据相结合，对传动系统进行了部分改良，最后通过整体设计需要，完成框架、材质、控制器等系列建模的装配工作。
作为认知和熟悉3D打印技术的一种方法，本文项目研究组通过理论学习、整体构架、解决实际问题等方式，掌握了FDM型3D打印机从无到有的整个过程。它有利于师生培养3D打印技术的学习研究兴趣，有利于团队着手准备下阶段研究内容，更有利于举一反三开拓3D技术其它类型的可能性。而作为第一手资料，通过总结与教学分享，更有利于3D技术在大学课堂和实验室的推广。
参考文献：
[1]张萍，闫宇，等.3D打印机在高校土木工程教学中的应用探讨[J].山西建筑，2016(15)：229.230.
[2]郭遵站.小型3D打印技术研究[D].长春理工大学，2014.
[3]郭振华，王清君，郭应焕.3D打印技术与社会制造[J].宝鸡文理学院学报(自然科学版)，2013(04)：64.70.
[4]王龙.基于熔融沉积技术的金属3D打印机研制[D].南京邮电大学，2016.
[5]谢卓.熔融沉积成型精度分析及工业参数研究[D].合肥工业大学，2016.
项目：本文为江苏省高校大学生创新训练项目：3D打印FDM型样机研制(项目编号201713101006Y)阶段性成果之一
作者简介：王克，男，在读学生;刘远，男，在读学生;常太明(1982.)，男，河南延津人，大学学历，讲师，主要研究方向：创新创业教育。
作者：王克 刘远 常太明
1.1 3D打印技术的发展
3D打印(3DP)是近三十年来出现的一种全新的快速成型技术，它能将三维软件建立的三维数据模型，运用粉末状金属或塑料以及光固化树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式转化为实物，被誉为新时代的工业革命[1]。
自1986年由美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机起[2],3D打印技术经历了三十多年的发展，从一开始只能打印简单的塑料模型到而今的打印人体器官等，3D打印技术在这30年的研发过程中取得了巨大的突破，能在一定程度上取代传统加工工艺中的机械加工及开模制造等制造工序，同时也能解决一些传统工艺无法处理的技术难题，极大地缩减了加工时间及加工成本，是如今各国重点发展的领域之一。
1.2 3D打印流程(以UV光固化3D打印机为例) 各步骤简要介绍如下：
1、三维建模
通过Pro/E或其他三维绘图软件建立该零部件实体模型并保存成打印机配套切片软件所能读取的文件格式(一般为STL文件格式)，以便导入到打印机切片软件中进行下一步操作[3]。
2、切片
通过三维软件建立的数据模型一般无法直接导入打印机进行打印，需要经过切片软件将模型切片并保存为相应格式才能导入打印机经行打印操作[4]。切片软件要设置的内容一般包括切片厚度、首层固化时间和每层固化时间，其中设置的层厚大小主要由打印机的打印精度决定，一般切片厚度越薄，则打印精度越高，同时层数越多，打印耗时也越长。而首层固化时间和每层固化时间则由打印机的光强及材料的性能决定，固化时间越长，则打印耗时越长。
3、打印
将事先准备好的光敏树脂倒入料槽中，并将料槽安装在机器上。选择要打印并切好片的文件，点击打印。打印机会将三维模型所切的每层内容按顺序一层层地固化在打印平台上，最终将整个模型打印固化出来。
4、后期处理
模型打印完成后用美工刀或工具铲等工具将其从打印平台上取下，并用酒精将其表面残留的树脂洗去(树脂溶于酒精)，并风干。此时模型的强度和硬度一般都会表较低，如需增大模型的强度和硬度，可把模型放入固化箱内经行二次固化，从而增强模型的强度和硬度。另外还可对模型进行后期加工，如修整、上色等等，最终完成所需要的模型的制作。
1.3 3D打印技术的分类、原理及优缺点
现今的用于工业生产的3D打印技术主要以下是四种打印技术的打印原理及优缺点：
1、熔融沉积快速成型(Fused Deposition Modeling,FDM) 大致结构如图1.1所示：
图1.1 FDM结构图
·工作原理：熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴
喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品[5]。 ·材料：主要以PLA为材料 ·精度：常为0.3mm-0.2mm ·优势：制造简单，成本低廉
·劣势：由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，精度差[6]。
2、光固化成型(Stereolithigraphy Apparatus,SLA) 大致结构如图1.2所示：
图1.2 SLA结构图
·工作原理：光固化技术，主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品[7]。 ·材料：主要以光敏树脂为材料 ·精度：0.016mm ·优势：光固化成型的原型在外观方面非常好，成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂的原型[5]。
·劣势：强度弱，一般主要用于原型设计验证方面，然后通过一系列后续处理工序将快速原型转化为工业级产品，另外打印尺寸小[6]。
3、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering,SLS) 大致结构如图1.3所示：
图1.3 SLS结构图
·工作原理：SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。SLS技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型[8]。 ·材料：使用非常多的粉末材料
·优势：制成相应材质的成品，激光烧结的成品精度好、强度高，但是最主要的优势还是在于金属成品的制作[5]。
·劣势：首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域[12]。
4、三维粉末粘接(Three Dimensional Prinnting and Gluing,3DP)
大致结构如图1.4所示：
图1.4 3DP结构图
·工作原理：3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件[9]。
·材料：粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。 ·优势：在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的[10]。
·劣势：首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如SLA光洁，精细度也有劣势，所以一般为了产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前3DP技术主要应用在专业领域[11]。 1.4 桌面级3D打印机
随着3D打印技术的推广和应用，3D打印机也逐渐普及，近几年更是提出了一个新的概念——桌面级3D打印机。区别于以往的体
型巨大笨重的工业级3D打印机，桌面级的3D打印机如它的名字一样更为小型轻便，成本也远远小于前者，适合个人及个体商户购买，它的出现在很大程度上促进了3D打印技术普及。
由于桌面级3D打印机走的是小型经济的路线，结合以上的四种打印技术的特点可以看出，适合运用在桌面级3D打印机上的技术为熔融沉积快速成型及光固化成型技术，而如今市面上普及的桌面级3D打印机也大都是是建立在这两种技术之上的。
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陶瓷3D打印技术概述：
陶瓷材料作为三大基本材料之一，以优良的理化特性在工业界被广泛应用。但因传统陶瓷制备工艺的限制，工业中使用的陶瓷制品往往只具备简单的三维形状。三维打印工艺的发展让复杂的陶瓷产品成为可能。目前来看，已经被成功应用于陶瓷材料的三维打印的工艺包括喷嘴挤压成型，立体光刻成型(面曝光和激光)，粘合剂喷射成型，选择性激光烧结或熔融成型，浆料层铸成型(slurry-layer casting)等。
陶瓷3D打印技术原理： 喷嘴挤压成型
喷嘴挤压成型与塑料3D打印的熔融沉积成型技术(FDM)类似。该技术采用混有陶瓷粉末的喷丝(filament)作为原材料，使用100摄氏度以上的温度将喷丝中的高分子材料融化后挤出喷嘴，挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固。
图 1. 热熔沉积式陶瓷打印机 (美国罗格斯大学开发)
除此之外，也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料，直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。这种陶瓷浆料的主要成分是陶瓷粉末和粘合剂，其中粘合剂在成型过程中起到粘合陶瓷粉末的作用。无论是陶瓷喷丝还是陶瓷浆料作为原材料，这种工艺得到的三维模型都需要进一步进行热处理，即脱脂和烧结。脱脂和烧结也是传统陶瓷加工工艺中使用的致密化陶瓷产品的手段。目前来看，面向陶瓷的喷嘴挤压成型工艺受限于相对粗糙的加工精度，还主要集中于实验室研究，成熟的基于该工艺的3D打印机还未出现。
图 2. 冷凝挤压式陶瓷打印机(美国密苏里科技大学开发)
立体光刻成型
立体光刻成型是目前市场上陶瓷打印的主要技术，也是商业化相对成功的技术。该技术采用一种由陶瓷粉末、光引发剂、分散剂等混合而成的光固化胶，工艺本身与目前市场上的DLP和SLA打印机并无大的区别。有的产品(如Lithoz)会因为光固化胶的高粘度而使用特殊的刮刀涂抹手段来加快成型过程中的材料填充，但归根结底其本质与普通树脂成型并无大的区别。与喷嘴挤压出的毛坯件一样，立体光刻工艺制造出的3D模型也需要在高温炉中进行脱脂和烧结。根据有关公司的产品介绍，使用该工艺制造出的陶瓷制品(例如氧化铝、氧化锆、磷酸钙等)密度可高达99%以上。
图 3. Lithoz陶瓷打印机
与此同时，近一两年，研究人员在光固化陶瓷前驱体材料上取得的技术突破(详情可见科学杂志2016年
1月1日相关报道)，让立体光刻成型技术在陶瓷打印中的地位更加稳固。陶瓷前驱体是一种在高温下热分解产生陶瓷材料的高分子化合物，它是用于制造碳化硅、碳氧化硅等高温陶瓷的传统手段。具有光敏感性的陶瓷前驱体材料的诞生极大地降低了高温陶瓷的3D打印成本，具有很广泛的应用前景。然后，由立体光刻技术做成的毛坯件中含有大量的有机物，这使得经过脱脂和烧结之后产生的成品往往会相对于初始设计尺寸拥有30%左右的收缩量。这也限制了该技术在陶瓷生产中的使用。
图4. 《科学》杂志报道的美国HRL实验室的陶瓷前驱体打印技术
粘合剂喷射成型
这项技术将粘结剂通过打印喷头喷射到陶瓷粉末上，用来将粉末颗粒粘结在一起。然而，根据有限的文献报道，这种技术产生的陶瓷致密度并不高。可能的解释是其受到了粉末铺设的密度的限制。
图 5. Exone粘合剂喷射成形
选择性激光烧结或熔融
SLS/SLM主要被用于金属材料的3D打印上，在陶瓷的制造中使用并不多。这是因为使用激光直接对陶瓷粉末进行烧结或者融化处理时，加工过程中的温度差极易在陶瓷产品中产生应力，这些应力会在陶瓷产品内部产生大量裂纹;使用粉末层预热可以降低裂纹成形的可能性，但同时精度也有所降低。大量的研究集中在减少加工过程中的温度差，但是难度极大，目前并未取得太大进展。更加简单易行的方案是在陶瓷粉末中掺入高分子化合物作为粘合剂，使用激光来烧结这些高分子化合物以达到间接成型的目的。然后，与粘合剂喷射成型一样，这种工艺也受到了粉末铺设密度的限制，目前的研究文献报道中使用其加工而成的陶瓷制品密度并不高。
图 6. 激光选区熔化成形(RPJ, Volume: 19 Issue: 1, 2013)
浆料层铸成型
在这里，我们将所有基于陶瓷浆料的3D打印技术统称为浆料层铸成型。之所以将他们列为一类，是因为笔者认为这些技术可能是陶瓷3D打印的一个方向。将陶瓷粉末与不同的有机粘结剂混合制备成浆料，再使用传统的3D打印工艺加工成型，这样一套工艺流程不但简单而且效果好。从文献报道可以看出，基于浆料的
工艺要比其他工艺生成的陶瓷致密性更高。
一种使用陶瓷浆料作为原材料的打印机(台北科技大学开发)
除了以上介绍的技术，还有其他一些技术，例如分层实体制造、电子照相印刷技术等，因为应用的并不广泛或者仍然处于初步的研究中
陶瓷3D打印技术特点：
陶瓷3D打印机打印,不但大大缩减成本,且性能稳定,具有无菌等特点。
陶瓷3D打印技术优缺点：
我们知道陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、医疗等行业有着广泛应用。但陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，目前国内陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟，正处于研究阶段。
陶瓷3D打印技术材料：
工业级陶瓷3D打印材料有：氧化铝(AI2O3)，氧化锆(ZRO2)，羟基磷灰石(HAP)，磷酸三钙(TCP)等。
陶瓷3D打印知名3D打印机品牌：
法国Ceramaker 3D打印机
奥地利Lithoz公司陶瓷3D打印机
陶瓷3D打印技术应用及经典应用案例分享：
目前陶瓷3D打印主要用在工业产品、珠宝/奢侈品、医疗行业，当然对于从事科研的高校和研究所来讲，也是必备的神器。
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3D打印已经成为一种潮流，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，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品从开发到投入市场的时间。3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。3D打印机，即快速成形技术的一种机器，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。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。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。该技术珠宝，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，地理信息系统，土木工程以及其他领域都有所应用。
随着汽车、航空航天、工业和医疗保健等领域市场需求的增加，全球3D打印机的销售额将从2011年的17亿美元增长至2017年的50亿美元。消费品和电子领域是3D印刷企业最大的市场，其市场份额约为20.3%;紧随其后的是机动车(19.5%)、医疗和牙科(15.1%)领域。目前比较知名的3D打印机制造商有瑞连、3D系统、伊登普雷里、斯特塔西、帕罗奥多、惠普和奥托美克等。
目前国内3D打印在材料、设备和应用上仍有难题，成本较高，多用于实验，规模化应用尚需时日，目前我国3D打印主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等制造领域，其中消费电子、汽车、医疗分别占20.3%、19.5%和15.1%。
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。3D打印技术经过几十年的探索与发展，目前能够实现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，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。随着先进材料的不断发展，将开发出更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及其他方法难以制作的复合材料等，金属材料、直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的新兴领域。
当前，3D打印机价格很高，大多在百万美元以上，这给其进入家庭带来了困难，但一些较小规模的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直至实现规模化生产，3D打印机的价格有望大幅下降。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，3D打印机在生产应用方面有着巨大潜力。3D打印技术在珠宝首饰、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航天及医疗方面(牙科)都能得到广泛的应用。3D打印长期发展前景广阔，未来国内3D打印市场规模将达到上万亿元，但短期内由于技术、材料和成本原因难以商业化。
本研究分析报告由智鼎国研(北京)信息咨询有限公司领衔撰写，在大量周密的市场调研基础上，主要依据了国家统计局、国家商务部、国家发改委、国务院发展研究中心、中国海关总署、3D打印机行业相关协会、国内外相关刊物的基础信息以及3D打印机专业研究单位等公布和提供的大量资料，结合深入的市场调查资料，进而分析国内3D打印机行业发展走势与市场。报告针对我国3D打印机行业的市场规模与前景、从业企业以及国家相关产业政策进行了全面分析。并重点分析了我国3D打印机行业技术、应用领域的发展与现状，并对3D打印机行业投资机会与投机风险作出了分析研判，为3D打印机相关生产企业、经营企业、科研机构等企业在激烈的市场竞争中洞察先机，根据市场需求及时调整经营策略，为战略投资者选择恰当的投资时机和公司领导层做战略规划提供了准确的市场情报信息及科学的决策依据，同时对银行信贷部门也具有极大的参考意义。
【报告目录】
第一章3D打印机相关阐述16 第一节传统打印机简介16
一、打印机性能参数16
二、打印机的分类17
三、打印模式20
四、打印机语言21
五、打印机技术21
六、打印机打印技术常用工作参数30 第二节3D打印机32
一、3D打印机背景分析32
二、3D打印机特点34
三、3D打印机技术性能指标34 第三节3D打印机的用途及应用领域35
一、在工业制造领域的应用分析35
二、在文化创意、数码娱乐领域的应用分析36
三、在航空航天、国防军工领域的应用分析36
四、在生物医疗领域的应用分析36
五、在消费品领域的应用分析38
六、在建筑工程领域的应用分析38
七、在教育领域的应用分析38
八、在个性化定制领域的应用分析39 第二章中国3D打印机市场发展关键因素分析39 第一节3D打印机市场规模分析39 第二节3D打印机市场主要竞争对手构成40 第三节3D打印机市场政治、经济、法律、技术环境分析45
一、政治环境45
二、经济环境49
三、法律环境53
四、技术环境55 第四节3D打印机市场发展驱动因素分析59
一、产品优势59
二、政策扶持60
三、产业化的可能性62 第五节全球债务危机对3D打印机行业发展影响分析64
一、对3D打印机行业本身影响分析64
二、对3D打印机上下游产业影响分析65
三、对3D打印机价格影响分析66 第三章2012年世界3D打印厂商研究67 第一节3Dsystems67 (1)企业发展简况分析67 (2)企业研发实力分析67 (3)企业3D打印机产品分析67 (4)企业3D打印机产品应用分析68 (5)企业经营业绩分析68 (6)企业投资兼并分析69 (7)企业经营优劣势分析69 第二节ObjectGeometries72 第三节SOlido72 第四节ZCorporation75 第五节Stratasys79 (1)企业发展简况分析79 (2)企业研发实力分析79 (3)企业3D打印机产品分析79 (4)企业经营业绩分析81 (5)企业投资兼并分析81 (6)企业经营优劣势分析82 第六节Makerbot经营分析83 (1)企业发展简况分析83 (2)企业3D打印机产品分析83 (3)企业经营业绩分析85 (4)企业投资兼并分析85 (5)企业经营优劣势分析86 第七节Shapeways经营分析87 (1)企业发展简况分析87 (2)企业3D打印服务分析87 (3)企业经营业绩分析88 (4)企业商业模式分析88 (5)企业多轮融资分析88 (6)企业经营优劣势分析89 第四章2012年中国打印机产业整体发展态势分析90 第一节中国打印机行业发展分析90
一、中国打印机产量居世界第一90
二、中国打印机行业的市场结构解析90
三、中国专用打印机行业发展格局97
四、打印机行业进入节能环保新时代98
五、2012年打印机行业发展情况良好101 第二节2008-2012年中国打印机产量数据统计分析104
一、2008-2011年中国打印机产量数据分析104
二、2012年中国打印机产量数据分析108
三、2012年中国打印机产量增长性分析110 第五章3D打印机生产工艺及技术路径分析111 第一节3D打印机各种生产方法比较111 第二节国内外3D打印机生产工艺及技术趋势112
一、国外主流生产工艺介绍112
二、国内主流生产工艺介绍116
三、3D打印加工过程分析117
四、当前3D打印技术分析121
五、3D打印技术的突破方向分析124 第三节国内外3D打印机最新技术研发及应用情况126 第四节3D打印原材料分析129
一、目前可使用的3D打印材料分析129
二、3D打印市场扩大对材料需求的影响分析130 第六章中国3D打印机市场发展现状分析131 第一节中国3D打印机市场构成要素分析131
一、3D打印机产品购买主体构成分析131
二、3D打印机产品市场购买力分析133
三、3D打印机产品市场购买欲望分析134 第二节中国3D打印机市场主要品牌分析136
一、国外主要企业品牌分析136
二、国内主要品牌分析140 第三节2012年中国3D打印机市场运行数据分析141
一、2012年中国3D打印机市场产品销售情况分析141
1、销售总量分析141
2、主要销售区域分析142
3、市场需求特点分析143
二、2012年中国3D打印机市场产品供给情况分析145
1、国内市场供给量分析145
2、供给来源构成146
3、供需格局分析148 第七章中国3D打印机市场消费能力及未来需求规模分析148 第一节2012年中国3D打印机市场消费能力现状分析148
一、中国3D打印机产品购买要素构成分析148
二、3D打印机产品替代产品威胁分析150
三、主要消费区域消费能力对比分析150 第二节影响中国3D打印机市场消费能力主要因素分析152
一、购买者的购买目的及主要用途152
二、购买者所处的消费环境154 第三节中国3D打印机消费市场独有特征分析156 第四节中国3D打印机市场发展影响因素分析158 第五节3D打印机对我国制造业的影响160
一、3D打印机的内涵及其意义160
二、3D打印机与中国制造业161
三、对我国制造业的影响162
四、对策建议163 第八章2012年中国3D打印机市场需求特点及需求潜力分析163 第一节中国3D打印机市场主要消费统计数据定量分析163
一、总体销量数据分析163
二、分区域市场数据分析164
三、消费领域分布数据分析165 第二节3D打印机主要下游消费领域构成分析165 第九章3D打印机产品价格策略研究167 第一节估计成本167 第二节选择定价方法170 第三节竞争性调价176 第四节具体价格策略研究178 第十章国内3D打印机在建及拟建项目统计分析179 第一节入门级开源3D打印机项目技术179 第二节研发一种便携式3D打印机项目192 第三节智慧烟台投资千亿引进3D打印机等高端项目193 第四节2012-2013年我国3D打印发展项目态势195 第五节中国市场上3D打印巨头合并及其项目新态势201 第十一章3D打印机企业销售状况调查224 第一节北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司224
一、企业发展简况分析224
二、企业研发实力分析225
三、企业3D打印产品及服务分析225
四、企业成功应用案例分析225
五、企业经营优劣势分析226
六、企业3D打印机销售情况227 第二节陕西恒通智能机器有限公司227
一、企业发展简况分析227
二、企业研发实力分析227
三、企业3D打印产品及服务分析228
四、企业成功应用案例分析228
五、企业经营优劣势分析228
六、企业最新发展动向分析229
七、企业3D打印机销售情况229 第三节武汉滨湖机电技术产业有限公司230
一、企业发展简况分析230
二、企业研发实力分析231
三、企业3D打印产品及服务分析231
四、企业经营优劣势分析232
五、企业3D打印机销售情况232 第四节南京紫金立德电子有限公司233
一、企业发展简况分析233
二、企业研发实力分析233
三、企业3D打印产品及服务分析233
四、企业成功应用案例分析233
五、企业经营优劣势分析235
六、企业最新发展动向分析235
七、企业3D打印机销售情况239 第十二章3D打印机市场推广策略研究240
一、3D打印机行业产品市场定位240
二、3D打印机行业广告推广策略244
三、3D打印机行业产品促销策略249
四、3D打印机行业招商加盟策略249
五、3D打印机行业网络推广策略254 第十三章3D打印机营销渠道建立策略256 第一节2011-2012年中国3D打印机品牌营销模式研究256
一、市场经济时代的营销模式256
二、国际市场条件下的营销模式256
三、新型营销模式总括257
1、特许经营、加盟连锁257
2、电子商务258
3、会议营销260 第二节3D打印机产品营销渠道260
一、媒体广告260
二、直效营销262
三、销售促进263
四、公关与宣传264
五、人员推销265
六、网络营销266 第三节中国3D打印机营销渠道建立策略267
一、广告策略267
二、渠道策略267
三、价格策略267 第十四章3D打印机市场客户群研究与渠道匹配分析271 第一节专买店实地调查271
一、渠道特点271
二、销售状况271
三、消费人群271
四、销售策略271 第二节购物中心----专柜275
一、渠道特点275
二、销售状况275
三、消费人群276
四、销售策略276 第三节连锁超市----专柜281
一、渠道特点281
二、销售状况282
三、消费人群282
四、销售策略283 第四节网络营销模式—网店287
一、渠道特点287
二、销售状况292
三、消费人群292
四、销售策略292 第十五章2013-2018年中国3D打印机市场前景预测分析294 第一节国内3D打印机技术发展现状与问题294
一、国内3D打印机技术发展现状294
二、国内3D打印机技术发展问题295 第二节我国3D打印机从“神器”到家用制造设备的距离296 第三节3D打印机行业发展趋势预测298
一、3D打印机将全面革新现实298
二、2017年全球3D打印机市场将增至50亿美元304
三、3D打印机行业发展趋势304 第四节中国国3D打印机行业发展前景预测305
二、3D打印孕育无限未来305
三、3D打印机的变革力量308
四、3D打印机发展前景310 【图表目录】
图表：国际上主要3D打印机厂商42 图表：2009-2011年我国GDP增幅走势图49 图表：中国能效标识93 图表：富士施乐智能眼、智能节电和快速启动三位一体95 图表：重视环保打印，行动刻不容缓98 图表：参与调查者对于打印机环保重要性的看法99 图表：参与调查者对于打印机是否环保的分辨情况99 图表：2008-2009年中国打印机产量走势图104 图表：2009年中国打印机产量统计表(分省市)105 图表：2010年1-12月中国打印机产量分省市排行统计表106 图表：2012年1-12月中国打印机分省市产量数据表108 图表：国际上主要3D打印机厂商138 图表：2009-2012年中国3D打印机销售总量141 图表：2012年中国3D打印机销量区域分布142 图表：2009-2012年中国3D打印机供给量145 图表：2012年我国3D打印机供给来源构成146 图表：2009-2012年中国3D打印机销售总量163 图表：2012年中国3D打印机销量区域分布164 图表：2012年我国3D打印机消费领域分布数据165 图表：入门级开源3D打印机项目技术简图179 图表：主板芯片Arduino182 图表：Arduino主板最新版本的电路原理图184 图表：Arduino步进电机控制板184 图表：Arduino步进电机驱动板最新版本的电路原理图185 图表：Arduino3D打印机打印头控制板186 图表：Arduino3D打印机打印头驱动板最新版本的电路原理图186 图表：Arduino3D打印机机械结构187 图表：Arduino3D打印机部件罗列见下图189 图表：3D打印机打印机软件界面截图190 图表：3D数据与打印结果的展示图191 图表：2011-2012年北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司3D打印机销售状况227 图表：2011-2012年陕西恒通智能机器有限公司3D打印机销售状况229 图表：2011-2012年武汉滨湖机电技术产业有限公司3D打印机销售状况232 图表：2011-2012年南京紫金立德电子有限公司3D打印机销售状况239 图表：网络营销推拉战略266 图表：2008-2011年全球消费电子各细分产品产量规模309
研究成果
??3D打印机打印出的无人飞机 航模飞机
在2012年，美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺(约合1.9米)，巡航时速达到45英里(约合72千米)。2012年8月和9月初，研究小组在弗吉尼亚州米尔顿机场附近进行了4次飞行测试，这是迄今第三架用于建造飞行的3D打印飞机，巡航速度可达到45英里/小时。
美国弗吉尼亚大学工程师大卫-舍弗尔和工程系学生史蒂芬-伊丝特和乔纳森-图曼共同建造了这架3D飞机。舍弗尔称，3D打印技术现已证实是应用于教导学生的一种宝贵工具，2007年为了设计建造一个塑料涡轮风扇发动机需要两年时间，成本大约25万美元。但是使用3D技术，他们设计和建造这架3D飞机仅用4个月时间，成本大约2000美元。这将创建一个前所未有的飞行教学平台。 神奇的超级3D打印机
科学家研制了一款神奇的3D打印机，可用于未来行星登陆时建造基地的任务中。比如，未来在月球基地中生活的宇航员可以使用这款3D打印机，将月球上岩石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。至2012年为止，其应用范围几乎可以将任何固体材料制造成所需的工具，可以允许未来的探险家建设外星球基地。 骨骼3D打印技术
美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术，造出类似骨骼的材料。研究人员说，它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物。华盛顿州立大学苏斯米塔·博斯带领研究小组，耗费4年时间开发类骨骼物质。他们发现，在生物陶瓷粉主要成分磷酸钙中添加硅和氧化锌可以使其强度提升一倍。磷酸钙生物陶瓷材料是整形外科领域一类重要的骨修复材料，可模拟人体自然骨结构，适宜细胞和骨组织的长入。研究人员使用一部先前用于打印金属材料的3D打印机制造类骨骼物质。它在粉末层上喷出塑料黏合剂，粉末层厚度仅为一根头发丝宽度的一半。粉末层层叠加，干燥后达到要求的支架厚度，然后在1250摄氏度下烘烤2小时。实验室环境下的未成熟骨细胞生长测试显示，支架上的骨细胞在移植一周内开始生长。在兔子和老鼠身上的活体实验同样得到可喜效果。研究人员说，这种类骨骼物质可被添加到受损自然骨上，当作支架材料，促使细胞和骨组织生长，而且这种类骨骼物质可最终降解，没有“明显负面效果”。他们说，数年后，医生可利用这一技术定做更换骨组织。 3D打印只需在电脑上操作，非常方便。博斯在发表于《牙科材料》(Dental Materials)杂志的报告中写道：“你可以把这种类骨骼生物陶瓷粉用作回填材料，它可以成为你在电脑上画出的任何形状。”“ 我们开发的是可控降解„„10至20年后，医生可将这种骨支架用于与骨生长有关的治疗，”博斯说，“比如颌骨固定或脊柱融合术。”
将3D打印技术引入骨骼制造并非博斯首创。2009年，瑞士研究人员复制出一名男子的拇指骨骼。德国夫琅禾费界面工程与生物工程研究所研究人员把立体打印技术与双光子聚合技术相结合，于2009年开发出血管打印技术。打印时，打印机发出两束强激光，焦点对准同一分子。这个分子同时吸收两个光子，即所谓的双光子聚合。经过双光子聚合的分子变成一个有弹性的固体，研究人员用它来制造高精度的弹性结构，也就是血管。abc 3D打印建筑
荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars和数学家、艺术家Rinus Roelofs共同设计了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”，而且特别模拟了奇特的莫比乌斯环(Mbius strip/Mbius band，一种拓扑学结构，只有一个面和一个边界，由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁1858年独立发现)。
和打印一般小东西不同，这次需要用到的3D打印机也十分庞大，是由意大利发明家Enrico Dini设计出来的“D-Shape”，可以使用砂砾层、无机粘结剂打印出一幢两层小楼。尽管如此强大，让它打印一座庞大的建筑也太难了，Dini因此建议只用它打印整体结构，外部则使用钢纤维混凝土来填充。
这个项目将会利用3D打印机逐块打印出来，每一块的尺寸都达到了6×9米，然后拼接成一个整体建筑，预计需要耗时一年半才能完成。
Ruijssenaars打算带着这个项目参加欧洲大赛Europan。这项赛事在欧洲十五个国家每两年举办一次，主要面向年轻的立体设计师，并为他们准备50个真实的场地来实现构想。 3D打印胚胎干细胞 据英国媒体报道，英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞，干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞能力。研究人员说，这种技术或可制造人体组织以测试药物，制造器官，乃至直接在人体内打印细胞。
研究人员在5日出版的《生物制造》杂志发表论文说，检测结果显示，打印24小时后，95%以
上细胞仍然存活，打印过程未杀死细胞;打印3天后，超过89%细胞存活，而且仍然维持多能性，即分化出多种细胞组织的潜能。 胚胎干细胞3D打印机配备两个“生物墨盒”，一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞，另一个只有培养基。计算机控制微调阀喷出“墨水”，速度可通过改变喷口直径实现精确控制。打印机上有显微镜显示细胞打印情况。两种“墨水”一层一层间隔喷洒，形成不同浓度细胞飞沫，最小飞沫体积仅2纳升，包含大约5个细胞。飞沫被喷入有诸多凹孔的培养皿中，翻转培养皿，飞沫形成悬液，在各凹孔内“抱成团”。打印机可精确控制飞沫大小，使干细胞达到分化最佳状态。 3D打印房屋
据国外媒体报道，英国伦敦的一家建筑企业Softkill Design率先提出了3D打印房屋的新概念——原材料来自塑料，外观像蜘蛛网。该企业表示，如果市场接受这种新概念3D打印房屋，今年夏天或可建造出首个实体房屋。
设计成员之一的吉尔·瑞特森表示，这项发明不仅对房屋建筑行业是一场革新，甚至还有望解决英国的住房危机。按照发明者的设计：将所有的组件制造好，需要三个星期的时间，装配起来则仅需一天的功夫。这种房屋将用维可牢尼龙搭扣或类似按钮的紧固件固定在一起，而这些在传统建筑技术中则不需
??3D打印房屋构想 要。 据悉，这一构想是2012年10月伦敦3D打印展上展出的一款打印房屋原型的延伸，原型以极具特色的纤维尼龙结构作为骨架，来代替实心的墙体。房屋组件采用激光烧结的生物塑料，在3D印刷厂中制造，这将会比用沙子或混凝土印制的质量更好。纤维结构的厚度只有0.7毫米，用石头打印是不可能的，因为沙子没有足够的结构强度和完整性。而在工厂环境中，则可以用到像塑料或金属之类更高强度的材料。
至2012年为止，建造这样一座3D房屋的成本并未向外透露。但瑞特森表示，3D印刷业的蓬勃发展将会提升经济规模，这意味着在不久的将来，这样的房屋可能因其经济性而在市场竞争中取得优势。
3D打印汽车 地面和空中当快车道
来自世界各地的汽车爱好者们密切关注MakerBot和GrabCAD公司的未来交通工具设计展，其中包括：汽车、摩托车、飞机和航天器。未来的运输工具意味着一件事情——任何人都能够单独驾驶。
至2013年2月为止，这些交通工具模型都通过3D打印机打印制造出来，2040年将制造出实体模型。美国总统奥巴马的国情演讲中宣布，计划建立3D打印中心，3D打印技术将逐步形成美国新兴制造业。 打印人工耳
北京时间2013年2月21日报道，美国康奈尔大学和威尔·康奈尔医学院的研究人员合作，利用三维(3D)打印技术和含有牛耳活细胞的凝胶造出一种新型人工耳，无论在外观还是功能上，均可与真耳相媲美。相关论文在线发表于2月20日出版的《PLOS ONE》上。
研究人员表示，通常的人工耳材料密度和泡沫聚苯乙烯差不多，质感与真耳相差较大;如果用病人的肋骨组织以手术方式重塑外耳，不仅难度大，还给病人带来很大痛苦，因此很难制成既美观又实用的人造耳。 为造出这种生物工程耳，研究人员先用快速旋转3D相机拍摄数名儿童耳朵信息，输入计算机形成3D图像，然后按照图像用3D打印机打出一个固体模子，并在其中注入一种高密度胶原蛋白凝胶，其中含有能生成软骨的牛耳细胞。此后数周内，软骨逐渐增多并取代凝胶，3个月后软骨会形成柔韧的外耳，替代最初用于塑形的胶原蛋白支架。 打印头骨
2013年2月9日报道，美国的一家医院完成了一项非常大胆的手术：使用3D打印出人的头骨，来替代患者原本高达 75% 已受损骨骼。这次手术在本周早些时候顺利完成，使用了康涅狄格州牛津性能材料公司提供的原材料，至2013年2月为止，患者的病情已稳定。 3D打印类生物组织材料
英国研究人员2013年4月4日在《科学》杂志上发表报告说，他们利用特制3D打印机打印出类似生物组织的材料，这一成果将来有望应用在医疗领域。
这篇报告由英国牛津大学的黑根·贝利教授及其同事联名发表。据介绍，他们利用3D打印机分层次喷出大量被脂类薄膜包裹的液滴，这些液滴形成网状结构，构成特殊的新材料。 研究人员说，这样打印出来的材料其质地与大脑和脂肪组织相似，可做出类似肌肉样活动的折叠动作，且具备像神经元那样工作的通信网络结构，可用于修复或增强衰竭的器官。由于这是合成材料，因此它还可避免一些用干细胞等方式制造活体组织而引发的问题。
研究人员还说，常规的3D打印机无法打印这种新材料，实验中他们使用的是一种特制3D打印机，至2013年4月为止，这种打印机喷出的液滴直径约50微米，有5个活体细胞那么大，但相信将来能够将液滴尺寸缩小。 最新动态世界首款3D打印汽车面世
世界上第一款3D打印汽车面世，这次不是玩具，而是真正能开上马路的汽车。
据《连线》杂志报道，Urbee 2是一款三轮的混合动力汽车，它的所有零部件都是3D打印出来的。正如Makerbot和Form 1正在重新定义制造业，Urbee正在致力于改变我们制造汽车的方式。 这款汽车是Jim Kor和他的Kor Ecologic团队头脑风暴的产物，他们一直专注于研究未来的3D交通工具。他们在网站上展示了对于未来汽车的构想：
“用最少的能耗开最远的路程;把生产、使用、回收过程的污染降到最低;尽可能用汽车产地附近的原材料生产汽车” 传统的汽车制造是生产出各部分然后再组装到一起，3D打印机能打印出单个的、一体式的汽车车身，再将其他部件填充进去。据称，新版本3D汽车需要50个零部件左右，而一辆标准设计的汽车需要成百上千的零部件。
Urbee的原型使用了asb塑料的"熔融沉积建模"(fuseddepositionmodelling)方法。车辆由大块和许多个小块组成。根据thewire的报道，544公斤的车辆花费了大约2500个小时来打印，原型车的造价约为5万美金。 用3D打印珠宝 个性化，珠宝加工自是对此类需求最为迫切的行业之一，而3D打印所具备的优势正好可以平衡消费者需求与加工成本之间的矛盾–加工成本与造型复杂程度完全无关。事实上在Shapeways上就有大量的设计师们对珠宝类目情有独钟(事实上最早加入的成员就已开始利用3D打印制造首
3D打印机的发展现状与趋势综述
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( 大学 )
摘 要：3D打印(3D printing)，即快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，被誉为是第三次工业革命的重要标志之一。近年来，国内外3D打印技术蓬勃发展，在航空航天、生物医学工程、工业制造等多个方面有着广泛地应用。本文通过介绍3D打印技术的概念及应用，阐述了国内外3D打印技术及产业的现状，并结合数据，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。 关键词：3D打印 技术现状 发展趋势
0.前言
为了让读者更快速更全面的了解3D打印机的发展现状和趋势，特写了这篇综述。3D打印技术是制造业正在迅速发展的一项新兴技术，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。文章通过介绍3D打印的概念及应用领域，重点阐述了3D打印技术及产业在国内外的发展现状，结合数据分析，对3D打印的发展趋势有一定预见性的分析。
1.技术现状
1.1 3D打印技术概念
严格意义上来说，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。是制造业正在迅速发展的一项新兴技术，被英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，称为第三次工业革命的重要标志之一。3D打印作为一种通俗化名称，其实质是增材制造技术，因此又称为添加制造(AM,Additive Manufacturing)。美国材料与试验协会将增材制造技术定义为：基于3D模型数据，采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程，通常通过电脑控制将材料逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为立体实物，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。 1.2 3D打印技术的应用领域
近20年来，3D打印技术在各领域发展迅速，主要被应用于产品原型、磨具制造，以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统以来的精细加工工艺。除此之外，该技术在鞋类、建筑、工程和施工(AEC)、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、枪支、生物工程以及其他多个领域都有所应用，从市场份额来看，3D打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18.2%，应用于航空航天和国防军工占13.7%，在商业机器领域占11.2%，在医疗领域占8.8%，在科研方面占8.6%。同时，3D打印技术为这些产业的创新开拓注入了新鲜的血液，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。 1.3 3D打印技术及产业的国内外发展现状 1.3.1 国际情况
经过多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的发展。3D打印技术在国外发展较快，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。打印的速度也有所提高，国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率，并可以实现24位色彩的彩色打印.截至2012年底，3D打印成型公司Stratasys的产品已经可以支持123种不同材料进行3D打印。
目前，美国Z corp公司与日本Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能够制作出彩色原型件的三维打印机。2000年底以色列的Object Geometries公司推出了基于结合3D Ink—Jet与光固化工艺的三维打印机Quadra。在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司公司的产品占据了绝大多数市场份额。其中，3D Systems公司的实力最为强大，代表了3D打印技术目前的技术水平和未来的发展趋势，可以为专业人士及类似消费者提供3D打印系统。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业或研发团队还有美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等。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。同时，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。 1.3.2 国内情况
近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，自20世纪90年代初以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。在3D打印设备制造技术，3D打印材料技术，3D设计与成型软件开发，3D打印工业应用研究等方面取得了不错的成果，有部分技术已经处于世界先进水平。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDMT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技术的研发水平还有较大差距。我国港台地区很多高校和企业都有自己的3D打印设备，RP技术应用更为广泛，但并非自主研发。
目前，国内对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华，湖北滨利机电，深圳维示泰克，江苏敦超等，这些企业已经基本实现了3D打印机的整体生产和销售。但这些企业多是由海外归国团体建立，规模小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端水平。目前，国内3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步的提升。
2.发展趋势
2.1.困难与挑战
根据国际快速制造行业权威报告《Wholes Report 2011》发布的调查结果，全球3D行业打印产业产值在1988~2010年期间保持着26.2%的年增长速率。报告预期，3D打印产业未来将持续较快地增长，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运用空间，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一定困难;二是概念方面，现在3D打印技术的概念普及范围还不是很广，国内外各个高校也还没有开设相应课程介绍、学习这门新兴技术;三是打印材料方面，首先不能把所有的材料都制成极精细的糊状，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，材料选择的局限性较大，成型品的物理特性也不理想，并且安全方面也存在一定的隐患.四是精度、速度、效率方面，打印速度也很慢，不能用于大批量生产。改善3D打印系统的可靠性、生产效率和制作大件能力，要提高3D打印的速度和效率。 2.2 发展趋势
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。3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。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优势地位。随着智能制造，控制技术，材料技术，信息技术等不断发展和提升，这些技术也被广泛地综合应用与制造工业，3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、便捷化以及通用化等主要趋势，可在以下几方面进行改善：
2.2.1 精密化
可提升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、多种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。3D打印机可以向双色或多色打印机发展，同时进行两种以上颜色的渲染，得到更有层次和立体感的打印模型。 2.2.2 .智能化和便捷化
目前，3D打印设备在软件功能、后处理、设计软件与生产控制软件的无缝对接等方面还有许多问题需要优化。例如，成型过程中需要加支撑，成型过程中需要不同材料转换使用，加工后的粉末去除方面，都需要软件智能化和自动化程度进一步提高。同时，随着3D打印技术越来越普遍地运用到服装、设计、生活生产当中，只有用户在使用过程中觉得简易上手，技术门槛低，复杂程度低，才能使用户有更好的使用体验，才能更普遍地推广这一技术。而这一系列问题都直接影响到设备的普及和推广，设备智能化、便捷化是走向普及的保证。目前，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。 2.2.3 通用化
3D打印是近年来国际上的发展热点，其输出设备称为3D打印机，是作为一个计算机的外部输出设备使用。它可以直接将计算机中制图软件中的三维设计图形输出成一个三维彩色实体，在科学教育，工业制造，产品创意，工业美术等方面有广泛地应用前景和巨大的商业价值，这同时要求3D打印技术向低成本、高精度、高性能的方向发展.随着技术的日益成熟，3D打印店将越来越多，个性化打印定制服务成为一种潮流。通过3D打印技术.创新公司将凭借与竞争对手的标准化产品相同的价格为用户提供定制化体验，该产品将根据你自己确切的具体信息进行定制，通过3D打印制造并直接送到你的家门口。
3.总结
3D打印作为一种新兴的产业，在国内外正在蓬勃发展，将来也会发展地更加通用，更加成熟。文章主要是整合了前人比较零散的观点，对3D技术的发展趋势有预见性的分析，但其分析可能并不是特别的全面，希望可以之后可以从不同的角度和方向更好的完善。3D打印技术给人们带来了巨大的生产自由度，但目前只能做些小规模的装饰品，要谈到大规模工业生产，取代传统的工业生产方式，仍然还有很长的路要走。相信市场的巨大需求会加速3D打印机及其应用的普及，势必像电脑一样走入千家万户，更好地方便人们生活，为提升人们的生活品质提供服务。
参考文献
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一、确保打印平台的水平位置
打印前，一定要确保打印机的平台处于水平位置。喷嘴与打印平台的距离保持在0.1mm(一张纸的厚度)，具体操作如下：将一张纸入置平台与喷嘴之间，前后左右移动喷嘴到打印平台的四个角和中心，如果喷头能自由移动而不碰到纸张，那么你的打印平台基本上就调平了。
二、清洁打印平台
用擦拭酒精(70%酒精或者70%异丙醇)，因为你手上的油脂可能弄脏打印平台使得打印的物品不能很好粘到打印平台上。
三、粘贴高温胶带
可在打印平台上贴一层高温胶带，可以有效减少打印时的翘边、变形，增强耗材与加热板的附着力。
四、喷雾剂的使用
如果用了上述方法，你发现在打印过程中，材料依然不能粘到胶带上的话，则可以试试在胶带表面上用喷雾剂(发胶之类的)——很多人都发现这招很管用。
五、了解你选择的打印材料的属性
FDM3D打印机常用的两种材料是ABS和PLA。每种都有它自己的特性(比如熔化温度)即使是同一种材料，不同的厂家生产出来的材料都是有差异的。确保你设置的打印机各项数据能支持你所使用的打印材料。
六、出丝均匀度
打印前，可先挤丝，看看出丝是否顺畅。
七、打印小尺寸物体
当你要打印的物体比较小时，可把打印速度调慢，开启散热风扇，促使挤出来的丝更好的堆积成型，打印出更漂亮的产品。
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